自1983年以來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)知道了一個(gè)神秘的事實(shí)：質(zhì)子和中子在原子內(nèi)部的行為與在太空中自由漂浮的行為是不同的。具體地說(shuō)，構(gòu)成質(zhì)子和中子的亞原子粒子，即夸克，一旦被限制在一個(gè)原子的原子核內(nèi)就會(huì)大幅減速。

物理學(xué)家真的不喜歡這個(gè)，因?yàn)橹凶泳褪侵凶?，不管它們是否在原子中，質(zhì)子就是質(zhì)子。質(zhì)子和中子(它們共同構(gòu)成了被稱(chēng)為“核子”的一類(lèi)粒子)都是由三種更小的粒子(被稱(chēng)為夸克)組成，它們被強(qiáng)大的核例束縛在一起。這項(xiàng)研究的合著者或麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家Hen說(shuō)：當(dāng)把夸克放入原子核時(shí)，它們開(kāi)始移動(dòng)得更慢，這是非常奇怪的。

博科園-科學(xué)科普：這很奇怪，因?yàn)榭淇酥g強(qiáng)大的相互作用主要決定了它們的速度，而束縛原子核的力(也作用于原子核內(nèi)的夸克)被認(rèn)為是非常弱的。沒(méi)有其他已知的力可以如此強(qiáng)烈地改變夸克在原子核中的行為。然而，這種效應(yīng)仍然存在：粒子物理學(xué)家稱(chēng)之為EMC效應(yīng)，以發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)的歐洲介子合作組織(European Muon Collaboration)的名字命名。直到最近，科學(xué)家們還不確定是什么導(dǎo)致了這種效應(yīng)。原子核中的兩個(gè)粒子通常被約800萬(wàn)電子伏特(8mev)的力“拉”在一起，這是對(duì)粒子能量的一種測(cè)量，質(zhì)子或中子中的夸克被大約1000兆電子伏特(1000mev)束縛在一起。

原子核之間相對(duì)溫和的相互作用會(huì)顯著影響夸克內(nèi)部強(qiáng)大的相互作用，這是沒(méi)有道理的。“8和1000比起來(lái)是多少？”但電磁兼容效應(yīng)看起來(lái)不像是外力的輕微推動(dòng)。雖然不同種類(lèi)的原子核情況不同，但“它不是0，5%。一旦有足夠的創(chuàng)造力去設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)尋找它，這種效應(yīng)就會(huì)從數(shù)據(jù)中跳出來(lái)。根據(jù)所涉及原子核，核子的表觀大小(這是核子速度的函數(shù))可以改變10%到20%。例如，在金原子核中，質(zhì)子和中子比它們自由漂浮時(shí)要小20%。理論家們提出了許多不同模型來(lái)解釋這里發(fā)生的事情。EMC代表‘每個(gè)模型都很酷’，因?yàn)槊總€(gè)模型似乎都能解釋這個(gè)問(wèn)題。

但隨著時(shí)間推移，物理學(xué)家做了更多的實(shí)驗(yàn)，測(cè)試這些不同的模型，一個(gè)接一個(gè)地消失了。沒(méi)有人能解釋所有的數(shù)據(jù)，研究人員面臨著一個(gè)大難題，現(xiàn)在有很多數(shù)據(jù)，測(cè)量夸克是如何在各種不同的原子核中運(yùn)動(dòng)，我們無(wú)法解釋發(fā)生了什么。研究人員并沒(méi)有試圖立刻解釋所有的謎團(tuán)，而是決定研究中子和質(zhì)子相互作用的一個(gè)特例。在大多數(shù)情況下，原子核中的質(zhì)子和中子不會(huì)相互重疊，即使它們實(shí)際上只是由束縛夸克組成的系統(tǒng)。但有時(shí)，核子會(huì)在現(xiàn)有的核子內(nèi)連在一起，并開(kāi)始短暫地，在物理上彼此重疊，成為科學(xué)家所說(shuō)的“相關(guān)對(duì)”。

在任何時(shí)刻，原子核中大約20%的核子以這種方式重疊。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，大量的能量在夸克之間流動(dòng)，從根本上改變了它們的束縛結(jié)構(gòu)和行為——這是一種由強(qiáng)力引起的現(xiàn)象。在2月20日發(fā)表在《自然》(Nature)上的一篇論文中，研究人員認(rèn)為，這種能量流正是電磁兼容效應(yīng)的原因。研究小組用電子轟擊了許多不同類(lèi)型的原子核，發(fā)現(xiàn)這些核子對(duì)與電磁兼容效應(yīng)之間存在直接關(guān)系。新研究數(shù)據(jù)強(qiáng)有力地表明，大多數(shù)核子中的夸克在進(jìn)入原子核時(shí)根本不會(huì)改變。但那些參與核子對(duì)的少數(shù)行為發(fā)生了巨大變化，以致于在任何實(shí)驗(yàn)中都扭曲了平均結(jié)果。

這么多夸克擠在這么小的空間里，會(huì)產(chǎn)生一些戲劇性的強(qiáng)力效應(yīng)。電磁兼容效應(yīng)只是少數(shù)異常現(xiàn)象的結(jié)果，而不是所有質(zhì)子和中子行為的改變。從這些數(shù)據(jù)中，研究小組得出了一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)，精確地描述了電磁兼容效應(yīng)是如何從一個(gè)核傳遞到下一個(gè)核。喬治華盛頓大學(xué)(George Washington University)物理學(xué)家杰拉爾德費(fèi)爾德曼(Gerald Feldman)說(shuō)：論文的作者做了一個(gè)預(yù)測(cè)，他們的預(yù)測(cè)或多或少得到了證實(shí)。這有力地證明了這種配對(duì)效應(yīng)是EMC之謎的真正答案。35年過(guò)去了，粒子物理學(xué)家們似乎已經(jīng)用太多無(wú)用的方法解決了這個(gè)問(wèn)題。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)計(jì)劃進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)更深入地探究這個(gè)問(wèn)題，并揭示原子中配對(duì)核子行為的新未知真相。

博科園-科學(xué)科普｜參考期刊文獻(xiàn):《自然》

文: Rafi Letzter/Live Science

DOI: 10.1038/s41586-019-0925-9

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