科學(xué)家解開(kāi)了原子核內(nèi)部一條長(zhǎng)達(dá)35年的未解之謎
據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道,科學(xué)家自1983年來(lái)就知道這么一條神秘的真相:質(zhì)子與中子在原子內(nèi)部的行為方式與在空間中自由移動(dòng)時(shí)有所不同。具體來(lái)說(shuō),構(gòu)成質(zhì)子和中子的亞原子粒子“夸克”一旦被局限在原子核中,運(yùn)動(dòng)速度便會(huì)大幅下降。
這令物理學(xué)家感到很頭痛,因?yàn)闊o(wú)論在原子內(nèi)部與否,中子就是中子,質(zhì)子就是質(zhì)子。質(zhì)子和中子(二者同屬于“核子”)都由三個(gè)名叫“夸克”的較小粒子構(gòu)成,通過(guò)強(qiáng)作用力結(jié)合在一起。 “一旦夸克位于原子核中,運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)減緩,這點(diǎn)非常奇怪。”該研究的共同作者、麻省理工學(xué)院物理學(xué)家?jiàn)W爾?赫恩(Or Hen)指出。這之所以奇怪,是因?yàn)榭淇说倪\(yùn)動(dòng)速度主要由彼此之間的強(qiáng)相互作用力決定,而將原子核結(jié)合在一起的力(該力也會(huì)對(duì)原子核內(nèi)部的夸克產(chǎn)生影響)應(yīng)當(dāng)非常微弱才對(duì)。 目前還沒(méi)有已知的其它力能夠如此劇烈地改變?cè)雍藘?nèi)部的夸克行為。但這一現(xiàn)象確實(shí)存在。物理學(xué)家將其稱(chēng)作EMC效應(yīng)(EMC是發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象的組織“歐洲渺子協(xié)會(huì)”的英文縮寫(xiě))。截至不久之前,科學(xué)家仍不確定導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因。 原子核中的兩個(gè)粒子通常由8百萬(wàn)電子伏特左右的力結(jié)合在一起。質(zhì)子或中子中的夸克則由約1000百萬(wàn)電子伏特的力結(jié)合在一起。因此,原子核中相對(duì)較弱的作用力不該對(duì)夸克之間的強(qiáng)大作用力產(chǎn)生如此明顯的影響才對(duì)。 “8和1000比,是個(gè)什么概念?”赫恩指出。 但EMC效應(yīng)可不是由外部作用力導(dǎo)致的一點(diǎn)點(diǎn)小誤差。雖然不同類(lèi)型的原子核具體表現(xiàn)不同,“但變化范圍可遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止0.5%。只要你設(shè)計(jì)出一套實(shí)驗(yàn)、對(duì)此進(jìn)行觀察,這一效應(yīng)就會(huì)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中凸顯出來(lái)! 取決于原子核,核子的表觀尺寸會(huì)有10%至20%不等的變化(大小與其速度有關(guān))。例如,在金原子核中,質(zhì)子和中子要比在自由空間中小20%。赫恩表示,理論學(xué)家提出了各種各樣的模型,試圖解釋這種現(xiàn)象,“我有個(gè)朋友開(kāi)玩笑說(shuō),EMC其實(shí)是‘所有人的模型都很酷’(‘Everybody’s Model is Cool)的縮寫(xiě),因?yàn)槊總(gè)模型似乎都能解釋這種效應(yīng)。”赫恩說(shuō)道。 但隨著物理學(xué)家開(kāi)展更多實(shí)驗(yàn)、測(cè)試更多模型,這些模型一個(gè)接一個(gè)地被淘汰出局,“沒(méi)有一個(gè)模型能解釋所有數(shù)據(jù),我們?nèi)悦媾R著一個(gè)巨大的未解之謎。我們?nèi)缃裾莆樟舜罅繑?shù)據(jù),對(duì)夸克在各種原子核中的運(yùn)動(dòng)都做了測(cè)量,但仍然無(wú)法解釋到底是怎么回事。”赫恩和同事們決定,與其試圖一次性解決所有謎題,不如先考察一種質(zhì)子與中子的一種特殊相互作用。 在大多數(shù)情況下,同一原子核中的質(zhì)子和中子不會(huì)相互重疊,而是會(huì)尊重對(duì)方的邊界(雖然它們其實(shí)只是由夸克結(jié)合在一起構(gòu)成的系統(tǒng))。但核子有時(shí)會(huì)在原子核內(nèi)部相互聯(lián)結(jié),也就是說(shuō),在物理上發(fā)生重疊,形成科學(xué)家所謂的“關(guān)聯(lián)對(duì)”。在任意時(shí)刻,一個(gè)原子核中約有20%的核子會(huì)以這種方式相互重疊。 發(fā)生這種情況時(shí),夸克之間會(huì)發(fā)生大量能量流動(dòng),大大改變它們的邊界結(jié)構(gòu)和行為。這一現(xiàn)象是由強(qiáng)相互作用力導(dǎo)致的。在2月20日發(fā)表在《自然》上的一篇論文中,研究人員指出,這一能量流動(dòng)正是EMC現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,該研究團(tuán)隊(duì)用電子轟炸了多種不同的原子核,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些核子對(duì)與EMC效應(yīng)之間存在直接關(guān)系。 赫恩表示,這些研究數(shù)據(jù)強(qiáng)烈表明,大多數(shù)原子核中的夸克在進(jìn)入原子核時(shí)并不會(huì)發(fā)生變化。但核子對(duì)中的夸克行為則會(huì)顯著改變,導(dǎo)致平均實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)生歪曲。大量夸克擠在這么小的空間中,便會(huì)產(chǎn)生顯著的強(qiáng)作用力效應(yīng)。EMC效應(yīng)只是少數(shù)“異常份子”的結(jié)果,而非由所有質(zhì)子和中子的行為變化所導(dǎo)致。 該團(tuán)隊(duì)從研究數(shù)據(jù)中總結(jié)出了一個(gè)函數(shù),能夠精確描述不同原子核中的EMC效應(yīng),“該論文作者們做出了一項(xiàng)預(yù)測(cè),而這項(xiàng)預(yù)測(cè)已經(jīng)或多或少得到了證實(shí)!眴讨稳A盛頓大學(xué)物理學(xué)家杰拉德·費(fèi)爾德曼(Gerald Feldman)指出。費(fèi)爾德曼認(rèn)為,這一證據(jù)足以證明核子配對(duì)效應(yīng)是EMC之謎的真正答案。 35年過(guò)后,粒子物理學(xué)家似乎終于解決了這一問(wèn)題。赫恩表示,他和同事們已經(jīng)開(kāi)展了后續(xù)實(shí)驗(yàn),計(jì)劃更深入地研究這一問(wèn)題,并揭露更多有關(guān)原子核中核子配對(duì)行為的真相。(來(lái)源:新浪科技) 關(guān)鍵詞: 原子核
|