Ядра атомов состоят из нуклонов — протонов и нейтронов, а они состоят из более мелких частиц — кварков. Кварки связаны между собой глюонами, переносчиками сильного ядерного взаимодействия. Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего, а нейтрон — из одного верхнего и двух нижних» кварков.
Ученые до сих пор не полностью понимают внутреннюю структуру нуклонов. Внутри них непрерывно возникают и исчезают пары кварк — антикварк. Распределение импульса и спина среди всех компонентов нуклонов пока не установлено.
Физики постоянно расширяют понимание ядерной физики и нуклонов через эксперименты на ускорителях элементарных частиц. Участники эксперимента MARATHON, проведенного коллаборацией ученых Jefferson Lab Hall A Tritium Collaboration, опубликовали новое точное измерение отношения функций структуры нейтрона и протона (F₂ⁿ/F₂ᵖ), которое описывает распределение импульса среди кварков внутри нуклонов. Полученные учеными данные открывают новые возможности для проверки моделей Квантовой Хромодинамики. Статья об этом опубликована в Physical Review Letters.
MARATHON — своеобразная аббревиатура очень точного описания эксперимента (Measurement of the F₂ⁿ/F₂ᵖ, d/u Ratios and A=3 EMC Effect in Deep Inelastic Scattering off Tritium and Helium-3 Mirror Nuclei). На русский это переводится как «измерение соотношений функций F₂ⁿ/F₂ᵖ, кварков d/u и EMC-эффекта для ядер с массовым числом A=3 при глубоком неупругом рассеянии на зеркальных ядрах трития и гелия-3».
Ученые направляли на атомные ядра трития и гелия-3 в виде мишеней пучок электронов, разогнанных до больших скоростей и соответственно высоких энергий. При этом столкновении нуклоны в ядрах разрушаются, энергия электрона передается отдельным кваркам. По тому, как рассеивается электронный пучок, ученые могут узнать о процессах внутри протонов и нейтронов. Это — глубокое неупругое рассеяние.
Физики используют для эксперимента ядра гелия-3 и трития, радиоактивного изотопа водорода. Их ядра зеркальные, оба с массовым числом три. Тритиевое состоит из одного протона и двух нейтронов, ядро гелия-3 — из одного нейтрона и двух протонов. Ядра простые по составу, при этом их зеркальность позволяет уменьшить ошибки и погрешности при обработке данных эксперимента.
Структурные функции нейтронов и протонов, F₂ⁿ и F₂ᵖ содержат важную информацию о распределении импульсов среди верхних и нижних кварков. Соотношение таких функций F₂ⁿ/F₂ᵖ предсказано в рамках Квантовой Хромодинамики, фундамента современной теории физики элементарных частиц. Соотношение нижних и верхних кварков, d/u, вычислили через структурные функции. По нему ученые проверили модель строения нуклонов.
EMC-эффект состоит в том, что структурные функции отдельных нуклонов не складываются в структурную функцию всего ядра. Свободные протоны и нейтроны ведут себя иначе, чем скомпонованные в ядро. Природа эффекта физикам не известна. До этого эксперимента физики проводили подобные измерения для ядер с массовыми числами A=2 и А=4.
«Причины изменений свободных нуклонов при соединении их в ядро до сих пор не выяснены. Теоретики утверждали, что измерение EMC-эффекта для зеркальных ядер трития и гелия-3 будет критически важна для его объяснения», — рассказал Макис Петратос (Makis Petratos), пресс-секретарь эксперимента MARATHON.
Тритиевую мишень для эксперимента разработала группа JLAB Target Group под руководством Дейва Микинса (Dave Meekins). Он сообщил, что именно этот объект был самой большой проблемой эксперимента. Тритий — радиоактивный газ, для которого понадобилась уникальная одновременно подходящая для эксперимента и безопасная для человека мишень. Это первое использование такого материала в качестве цели за более чем тридцать лет работы коллаборации.
«Понимание ядерного EMC-эффекта и структуры ядерных „малотельных” (малонуклонных) систем остается одной из самых важных проблем современной физики высоких энергий сегодня», — добавил Петратос.
Это измерение, наряду с другими данными, может иметь значительные последствия для изучения ядерной и физики частиц, поскольку поможет улучшить модели структуры нуклонов и проверить теоретические предсказания.