科学家解开了原子核内部一条长达35年的未解之谜

科学家解开了原子核内部一条长达35年的未解之谜
2019年03月18日 08:29 新浪科技

  新浪科技讯 北京时间3月18日消息,据国外媒体报道,科学家自1983年来就知道这么一条神秘的真相:质子与中子在原子内部的行为方式与在空间中自由移动时有所不同。具体来说,构成质子和中子的亚原子粒子“夸克”一旦被局限在原子核中,运动速度便会大幅下降。

  这令物理学家感到很头痛,因为无论在原子内部与否,中子就是中子,质子就是质子。质子和中子(二者同属于“核子?#20445;?#37117;由三个名?#23567;?#22840;克”的较小粒子构成,通过强作用力结合在一起。

  “一旦夸克位于原子核中,运动速度就会减缓,这点非常奇怪。”该研究的共同作者、麻省理工学院物理学家奥尔?赫恩(Or Hen)指出。这之所以奇怪,是因为夸克的运动速度主要由彼此之间的强相互作用力决定,而将原子核结合在一起的力(该力?#19981;?#23545;原子核内部的夸克产生影响)应当非常微弱才对。

  目前还没有已知的其它力能够如此剧烈地改变原子核内部的夸克行为。但这一现象确实存在。物理学家将其称作EMC效应(EMC是发现该现象的组织“?#20998;?#28218;子协会”的英文缩写)。截至不久之前,科学家仍不确定导致该现象的原因。

  原子核中的两个粒子通常由8百万电子伏特左右的力结合在一起。质子或中子中的夸克则由约1000百万电子伏特的力结合在一起。因此,原子核中相对较弱的作用力不该对夸克之间的强大作用力产生如此明显的影响才对。

  “8和1000比,是个什么概念?”赫恩指出。

  但EMC效应可不是由外部作用力导致的一点点小误差。虽然不同类型的原子核具体表现不同,“但变化范围可?#23545;?#19981;止0.5%。只要你设计出一套实验、对此进行观察,这一效应就会?#37038;?#39564;数据中凸显出来。”

  取决于原子核,核子的表观尺寸会有10%至20%不等的变化(大小与其速度有关)。例如,在金原子核中,质子和中子要比在自由空间中小20%。赫恩表示,理论学家提出了各种各样的模型,试图解释这种现象,“我有个朋友开玩笑说,EMC其实是‘所有人的模型都很酷’(‘Everybody’s Model is Cool)的缩写,因为每个模型似乎都能解释这?#20013;?#24212;。”赫恩说道。

  但随着物理学家开展更多实验、测试更多模型,这些模型一个接一个地被淘汰出局,“没有一个模型能解释所有数据,我们仍面临着一个巨大的未解之谜。我们如今掌握了大量数据,对夸克在各种原子核中的运动都做了测量,但仍然无法解释到底是怎么回事。”赫恩和同?#26053;?#20915;定,与其试?#23478;?#27425;性解决所有谜题,不如先考察一种质子与中子的一种特殊相互作用。

  在大多数情况下,同一原子核中的质子和中子不会相互重叠,而是会尊重对方的边界(虽然它们其实只是由夸克结合在一起构成的系统)。但核子有时会在原子核内部相互联结,也就是说,在物理?#25103;?#29983;重叠,形成科学家所谓的“关联对”。在?#25105;?#26102;刻,一个原子核中约有20%的核子会以这种方式相互重叠。

  发生这种情况时,夸克之间会发生大量能量流动,大大改变它们的边界结构和行为。这一现象是由强相互作用力导致的。在2月20日发表在《自然》上的一篇论文中,研究人员指出,这一能量流动正是EMC现象产生的原因,该研?#23458;?#38431;用电子轰炸了多种不同的原子核,结果发现这些核子对与EMC效应之间存在直接关系。

  赫恩表示,这些研究数据强烈表明,大多数原子核中的夸克在进入原子核时并不会发生变化。但核子对中的夸克行为则会显著改变,导致平均实验结果发生歪曲。大量夸克挤在这么小的空间中,便会产生显著的强作用力效应。EMC效应只是少数“异常份子”的结果,而非由所有质子和中子的行为变化所导致。

  该团队从研究数据中总结出了一个函数,能够精确描述不同原子核中的EMC效应,?#26696;?#35770;文作者们做出了一项预测,而这项预测已经或多或少得到了证实。”乔治华盛顿大学物理学家杰拉德??#35759;?#24503;曼(Gerald Feldman)指出。?#35759;?#24503;曼认为,这一证据足以证明核子配对效应是EMC之谜的真正答?#28014;?/p>

  35年过后,粒子物理学家似乎终于解决了这一问题。赫恩表示,他和同?#26053;?#24050;经开展了后续实验,计划更深入地研究这一问题,并揭露更多有关原子核中核子配对行为的真相。(叶子)

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