Podle klasického modelu struktury jádra by se vnitřní struktura nukleonů, tedy protonů a neutronů, neměla měnit, když se částice navzájem spojí a vytvoří jádro atomu. Jenže před 35 lety fyzici zjistili, že nejmenší známé částice kvarky se uvnitř volných protonů a neutronů chovají jinak, než v těch, které jsou vázány v atomovém jádru. Příčina této anomálie je dodnes záhadou. Teď ale fyzici udělali podstatný krok směrem k jejímu vyřešení.
Z pohledu standardního modelu částicové fyziky jsou vazební energie kvarků uvnitř protonů a neutronů minimálně stokrát větší než energie vazby těchto nukleonů v jádře. Když proto v 80. letech fyzici z European Muon Collaboration v CERNu nukleony zkoumali, domnívali se, že mohou experimenty bezpečně urychlit použitím jádra železa, které obsahuje velké množství těchto částic. Předpokládali, že relativně malá vazební energie jádra atomů železa nemůže mít na kvarky žádný vliv. S překvapením však zjistili, že srážkový průřez (účinný průřez – vyjadřuje pravděpodobnost, že dojde k interakci) na jeden nukleon byl nižší, než očekávali, což naznačilo, že se rozložení hybnosti kvarků změnilo.
Tento jev byl později ověřen několika dalšími experimenty a s použitím jiných atomů. Vědci zjistili, že efekt je tím větší, čím větší je zkoumané jádro. Příčinu tzv. EMC (European Muon Collaboration) efektu však uspokojivě vysvětlit nedokázali. V současnosti existují pouze dvě skupiny teorií. Převládá názor, že „něco“ v okolí jader mění rozložení kvarků všech zúčastněných protonů a neutronů.
Jiná teorie tento efekt přičítá krátkodobým pomíjivým korelacím mezi některými nukleony, které způsobují, že tyto nukleony mají daleko větší hybnost než ostatní. Je například možné, že 80 % nukleonů zůstává nezměněno, zatímco zbylých 20 % se mění velmi výrazně. Když se poté měří EMC efekt, měří se úhrnná hodnota. Právě tuto hypotézu se rozhodli ověřit fyzici z americké Jefferson Laboratory.
K tomu, aby mohli porovnat intenzitu EMC efektu a počet párů nukleonů s velkou hybností, které jádro obsahuje, využili dva různé typy rozptylových experimentů. Po důkladné rozvaze došli k závěru, že pokud je efekt způsoben páry, potom by měl být každý pár proton – neutron stejný jako všechny ostatní, ať už je v uhlíku nebo třeba v olovu.
Vědci našli šikovnou cestu, jak měřit procento párů s vysokou hybností a jejich srážkový průřez současně. Ozařovali terčík z uhlíku–12, hliníku-27, železa–56 a olova–208 vysokoenergetickými elektrony. Některé z těchto elektronů absolvovaly kvazielastické srážky s jádry, vyrazily přitom proton nebo neutron, ale kvarky, tvořící jádra, zůstaly nezměněny. Tyto údaje umožňují určit hybnost nukleonů v okamžiku impaktu. Ostatní elektrony prodělaly neelastický rozptyl a umožnily určit rozložení střední hodnoty hybnosti kvarků v nukleonech. S dostatečnou přesností je možno říct, že počet párů v jádře je lineárně úměrný velikosti EMC efektu, z čehož vyplývá, že všechny páry vykazují stejný efekt.
Na základě toho poté vědci předpověděli, že protony jsou daleko vhodnější (mají větší pravděpodobnost) pro vytváření párů s vysokou hybností s neutrony a naopak. Proto jsou v těžkých jádrech s velkým počtem neutronů protony v kterémkoliv okamžiku náchylnější k tvoření párů, a střední hybnost je tak vyšší. Tuto předpověď se jim minulý rok podařilo potvrdit a zároveň spočítat střední EMC efekt na jeden proton a jeden neutron.
V souladu s předpovědí, EMC efekt na jeden neutron zůstává přibližně konstantní od atomové hmotnosti 12, zatímco na jeden proton roste pro všechna měřená jádra. Fyzici se domnívají, že tato okolnost propůjčuje věrohodnost alternativní hypotéze a ukazuje, že je potřeba provést experimenty zaměřené specificky na kvarky uvnitř korelujících nukleonů, a ne na jádra vcelku. Právě tím se teď fyzikální týmy začínají zabývat.
Výsledky výzkumu byly uveřejněny v Nature.
Mohlo by vás zajímat:
Grafen
umožňuje vytvářet superizolační aerogel
Nanostruktury
inspirované přírodou mění odpadní vodu na pitnou
Čistý
grafen vykazuje silnou fotoodezvu
Fyzikální
TOP 10 roku 2018