Un nuevo análisis cuidadoso de los datos tomados en la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía ha revelado un posible vínculo entre los protones y neutrones correlacionados en el núcleo y un misterio de 35 años. Los datos han llevado a la extracción de una función universal que describe el efecto EMC, el descubrimiento una vez impactante de que los quarks dentro de los núcleos tienen momentos promedio más bajos de lo previsto, y apoya una explicación del efecto. El estudio ha sido publicado en la revista Naturaleza .

El efecto EMC fue descubierto por primera vez hace poco más de 35 años por la European Muon Collaboration en datos tomados en el CERN. La colaboración descubrió que cuando midieron quarks dentro de un núcleo, parecían diferentes de los que se encuentran en los protones y neutrones libres.

“Actualmente existen dos modelos principales que describen este efecto. Un modelo es que todos los protones y neutrones en un núcleo [y por lo tanto sus quarks] se modifican y todos se modifican de la misma manera, "dice Douglas Higinbotham, un científico del personal de Jefferson Lab.

"El otro modelo, cuál es en el que nos enfocamos en este artículo, es diferente. Dice que muchos protones y neutrones se comportan como si fueran libres, mientras que otros están involucrados en correlaciones de corto alcance y están muy modificados, " el explica.

Las correlaciones de corto alcance son asociaciones fugaces formadas entre protones y neutrones dentro del núcleo. Cuando un protón y un neutrón se emparejan en una correlación, sus estructuras se superponen brevemente. La superposición dura solo unos momentos antes de que las partículas se separen.

La función de modificación universal se desarrolló a partir de un nuevo análisis cuidadoso de los datos de un experimento realizado en 2004 utilizando la instalación del acelerador de haz de electrones continuo de Jefferson Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. CEBAF produjo un haz de electrones de 5.01 GeV para sondear núcleos de carbono, aluminio, hierro y plomo en comparación con el deuterio (un isótopo de hidrógeno que contiene un protón y un neutrón en su núcleo).

Cuando los autores compararon los datos de cada uno de estos núcleos con el deuterio, vieron emerger el mismo patrón. Los físicos nucleares derivaron de esta información una función de modificación universal para correlaciones de corto alcance en los núcleos. Luego aplicaron la función a los núcleos utilizados en las mediciones del efecto EMC, y encontraron que era igual en todos los núcleos medidos que consideraron.

"Ahora tenemos esta función, donde tenemos pares correlacionados de corto alcance neutrón-protón, y creemos que puede describir el efecto EMC, "dice Barak Schmookler, ex estudiante de posgrado del MIT y ahora científico postdoctoral de la Universidad de Stony Brook que dirigió este esfuerzo de investigación y es el autor principal del artículo.

Dice que él y sus colegas piensan que lo que está sucediendo es que aproximadamente el 20 por ciento de los nucleones en los pares correlacionados de un núcleo en un momento dado tiene un efecto desmedido en las mediciones del efecto EMC.

"Creemos que cuando los protones y neutrones dentro del núcleo se superponen en lo que llamamos pares correlacionados de corto alcance, los quarks tienen más margen de maniobra, y por lo tanto, se mueven más lentamente de lo que lo harían en un protón o neutrón libre, " el explica.

"La imagen anterior a este modelo es que todos los protones y neutrones, cuando están pegados en un núcleo, todos sus quarks comienzan a disminuir. Y lo que sugiere este modelo es que la mayoría de los protones y neutrones continúan como si nada hubiera cambiado, y son los protones y neutrones seleccionados que están en estos pares los que realmente tienen un cambio significativo en sus quarks, "explica Axel Schmidt, becario postdoctoral del MIT y coautor.

Higinbotham dice si se puede confirmar o no esta imagen detallada de lo que está sucediendo en el núcleo, por ahora, la función de modificación universal parece unir todos los elementos de este misterio de una manera autoconsistente.

"Entonces, hemos demostrado que los pares son pares y se comportan de la misma manera, si están en un núcleo de plomo o de carbono. También hemos demostrado que cuando el número de pares es diferente porque están en núcleos diferentes, siguen actuando colectivamente básicamente de la misma manera, "Explica Higinbotham." Entonces, lo que creemos que hemos encontrado es que con una imagen física, podemos explicar tanto el efecto EMC como las correlaciones de corto alcance ".

Si aguanta Esa imagen física de las correlaciones de corto alcance como la causa del efecto EMC también logra otro paso hacia un objetivo a largo plazo de los físicos nucleares y de partículas de conectar nuestras dos visiones diferentes del núcleo del átomo:ya que está formado por protones y neutrones. , versus como está compuesto por sus quarks constituyentes.

Los físicos nucleares ya han comenzado a trabajar en el siguiente paso para confirmar esta nueva hipótesis, que consiste en medir la estructura de quarks de los protones involucrados en correlaciones de corto alcance y compararla con los protones no correlacionados.

"Lo siguiente que haremos es un experimento que estamos llevando a cabo en la Sala Experimental B del Laboratorio Jefferson con el Detector de Neutrones de Ángulo Posterior. Este medirá el protón cuando esté en deuterio y se mueva a diferentes velocidades. Entonces, queremos comparar protones de movimiento lento y rápido ", dice Lawrence Weinstein, coautor principal y profesor y erudito eminente en Old Dominion University. "Ese experimento obtendrá suficientes datos para responder la pregunta. Este apunta fuertemente a una respuesta, pero no es definitivo ".

Más allá de eso, El próximo objetivo de la colaboración es comenzar a considerar cómo las correlaciones de corto alcance y el efecto EMC pueden investigarse más en un futuro colisionador potencial de electrones y iones. La colaboración ahora está trabajando en un proyecto para determinar la mejor manera de lograr ese objetivo, utilizando fondos proporcionados por el programa de investigación y desarrollo dirigido por laboratorios de Jefferson Lab.