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为什么夸克在更大的原子中移动得更慢？ 这是核物理学中的一个重大谜题。现在，物理学家似乎找到了答案。 我们都知道，在生活中我们所看到的、触摸到的一切，都是由原子构成的。原子的内部总在发生一些令人惊奇而又不解的事情。早在上个世纪初，卢瑟福（Ernest Rutherford）就通过散射实验发现原子的中心是一个紧凑、致密的核心。自那之后，物理学家就一直致力于理解原子核的结构和它的组成部分的动力学。到了1960年代末，物理学家揭示了组成原子核的核子（即质子和中子）实际上是由更基本的夸克和胶子构成的。 ○ 图1：原子的简单模型。事实上，质子和中子的内部要比这幅图中描述的复杂的多（详见图3）。 现在，让我们来思考这样一个问题：在一个自由质子或自由中子内部的夸克的行为，与束缚在原子核内的夸克有什么不同的吗？ 根据经典的核子结构模型（即核壳层模型），当核子结合成原子核后，其内部的结构应该是不会发生任何变化的。但在上世纪八十年代，欧洲核子研究中心（CERN）的欧洲μ子实验合作组（EMC）却观测到了一个令人惊讶的现象：原子核中的夸克的平均动量要小于预期（当核子被束缚在原子核中时，核子中的夸克动量分布被改变了）。换句话说，一个核子的内部结构取决于它的环境：核子在真空中的结构与它被嵌入在原子核的结构是不一样的。这种改变被称为EMC效应。 这一发现很快就得到了其他实验的证实[1-3]，而且原子核越大，这种效应就明显。例如，在一个包含了许多质子和中子的铁原子核中，夸克的移动速度要比在氘核（只包含一个质子和一个中子）中的夸克慢的多。 30多年来，物理学家绞尽脑汁，试图解释这一效应，但绝大多数的理论都被实验否决。目前只有两个主要的模型用于理解这一现象：
○ 图2：原子核是由核子（质子和中子）组成的。短程关联是原子核内质子和中子之间形成的短暂的伙伴关系。当质子和中子相互配对时，它们的结构会有短暂的重叠。 在一项发表在《自然》期刊上的最新论文中[4]，CLAS合作组为第二种可能性提供了确凿的证据。 早在2011年的时候，麻省理工学院的物理学家Or Hen与合作者就专注于研究SRC对。他们想要知道的是，这种短暂的耦合是否与EMC效应以及原子核中夸克的速度有关。 他们从各个粒子加速器实验中收集数据，其中一些实验测量的是夸克在特定原子核中的行为，另一些则在其他原子核中探测SRC对。当他们将数据绘制成图像时，一个明显的趋势出现了：原子核越大，形成短程关联的质子-中子对就越多，测量到的夸克速度也就越慢。 Hen的合作者Axel Schmidt解释道：“在量子力学中，一个众所周知的事实是：任何时候当用于限制物体的体积增加时，物体的速度就会减慢；反之，当这个空间收缩时，物体就会加速。” 为了建立更加完整的物理图像，他们需要做更多详细的研究。因此，Hen和同事分析了在杰斐逊国家实验室的一个巨大的球形粒子加速器——CLAS探测器的实验数据。这个实验比较了不同大小的原子，并允许测量夸克的速度和每个原子核中SRC对的数目。 Hen将探测器内部的目标装置描述为一种“类似于科学怪人弗兰肯斯坦的东西”，每一只机械臂都拿着由碳、铝、铁和铅等不同材料制成的非常薄的箔片，它们分别由包含着12、27、67和208个质子和中子的原子构成。一个相邻的容器中装有液态氘——这是所有材料中包含最少数量质子和中子的原子。 当他们想要研究某种箔片时，就会在探测器的电子束路径上沿着液态氘向相关的机械臂发出指令，以放低想要研究的箔片。每一秒，就有数十亿个电子束中的电子向氘和固体箔片发射。虽然绝大多数电子都无法击中目标，但有些电子确实能击中原子核内的质子或中子，或者更微小的夸克本身。当电子击中目标时，它们会散射开来，而散射的角度和能量因撞击的目标不同而变化，这就是探测器捕捉到的信息。 这个实验进行了几个月，最后积累了数十亿次电子和夸克之间的相互作用。研究人员根据电子散射后的能量计算出每次相互作用中夸克的速度，然后比较不同原子之间的平均夸克速度。 一般情况下，SRC对具有极高的能量，因此散射电子的能量要高于未成对的质子和中子，这是研究人员用于在每种材料中探测SRC对的区别标准。 结果观察到，高动量的SRC对是夸克移动速度较低的原因。特别是，他们发现在具有更大原子核（也就是更多质子-中子对）的箔片中，夸克的移动速度比在氘（质子-中子对数量最少）中最多要慢20%。 ○ 图3：物理学家发展了一个普适的函数，表明原子核中的质子-中子对导致了所谓的EMC效应。研究团队之所以专注于中子-质子SRC对是因为 ○ 图3：物理学家发展了一个普适的函数，表明原子核中的质子-中子对导致了所谓的EMC效应。研究团队之所以专注于中子-质子SRC对是因为这些对的形成要比质子-质子对或中子-中子对更加普遍。|图片来源：DOE's Jefferson Lab |
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