科學家試圖破解EMC效應之謎

沒有人真正知道原子內部發(fā)生著什么，不過，已經有兩個研究團隊提出了這個問題的答案。現在，這兩個相互競爭的團隊都希望能證明自己的理論才是正確的。我們目前可以確定的是，在原子內部，電子沿著外層的“軌道”旋轉，然后是“一大片”空曠的空間;就在這個空間的中心，有一個很小的原子核，賦予了原子大部分的質量。

原子核是質子和中子的緊密結合體，這些質子和中子聚集在一起，被所謂的強核力(又稱強相互作用)束縛著。質子和中子的數量決定了原子是鐵，是氧，還是氙，也決定了它是放射性的還是穩(wěn)定的。

然而，沒有人知道質子和中子(合在一起稱為核子)在原子內部的行為。在原子之外，質子和中子有一定的大小和形狀。每一個核子都由三種更小的粒子——夸克——構成?？淇酥g的相互作用是如此強烈，以至于任何外力都不能使它們變形，即使是原子核粒子之間的強核力也不能。但幾十年來的研究已經發(fā)現，這個理論在某種程度上是錯誤的。實驗表明，在原子核內，質子和中子看起來遠遠超過它們應有的大小。物理學家發(fā)展出了兩種相互競爭的理論，試圖解釋這種奇怪的不匹配，而且各自理論的支持者都相當肯定另一種理論是錯的。不過，兩個陣營都認為，無論正確答案是什么，都必須來自他們自己的領域之外。

華盛頓大學的核物理學家杰拉爾德·米勒(Gerald Miller)表示，至少從20世紀40年代開始，物理學家就知道核子在原子核內的運動軌道很小也很緊湊。核子的運動受到約束，幾乎沒有能量。由于受到強核力的限制，它們不太會四處彈跳。

1983年，歐洲核子研究中心(CERN)的物理學家注意到一個奇怪的現象：電子束從鐵原子上反彈的方式與它們從自由質子上反彈的方式非常不同。這很不尋常。如果氫原子里面的質子與鐵原子里面的質子一樣大，那電子應該會以同樣的方式反彈。

起初，研究人員并不知道他們觀察到的是什么。但隨著時間的推移，科學家開始認為，這是一個大小的問題。由于某種原因，重原子核內的質子和中子看起來比它們在原子核外的時候大得多。研究人員將這一現象稱為EMC效應，以偶然發(fā)現該現象的歐洲渺子合作組織(European Muon Collaboration，簡稱EMC)命名。該效應也可以延伸為，夸克在原子核的質子或中子內部的動量分布與在自由核子內部時明顯不同，換句話說，構成質子和中子的夸克一旦被局限在原子核內，其運動速度便會大幅下降。在物理學家看來，EMC效應違反了現有的核物理理論。

奧爾·赫恩(Or Hen)是麻省理工學院的核物理學家，他提出了一個觀點，可以解釋研究人員觀察到的事情。夸克是構成核子的亞原子粒子，會與給定的質子或中子發(fā)生強烈的相互作用，而不同質子和中子的夸克之間并沒有很強的相互作用。核子內部夸克之間的強相互作用是如此之大，使核子與其他核子結合的強核力相形見絀。

“想象你坐在房間里，和兩個朋友聊天，窗戶是關著的，”赫恩說道，“一股微風在窗外吹拂。”房間里的三個人可以看作質子或中子內部的3個夸克，而窗外的微風就是質子或中子與外部其他核子之間的相互作用。即使有少量氣流透過關著的窗戶，也幾乎不會影響到屋子里面的人。

換句話說，只要核子還在軌道上，核子之間的作用力就很難影響到核子內部夸克之間的相互作用。然而，赫恩指出，最近的實驗表明，在任何給定的時間，原子核中大約20%的核子實際上在軌道之外。它們會與其他核子配對，以“短程關聯”(short range correlations)發(fā)生相互作用。在這種情況下，核子之間的相互作用具有比通常情況高得多的能量。這是因為夸克已經突破其各自核子的壁壘，開始直接相互作用，而這種夸克-夸克相互作用比核子-核子相互作用強大得多。

赫恩表示，這些相互作用打破了夸克在單個質子或中子內部的隔離墻。組成一個質子的夸克和組成另一個質子的夸克開始占據同一個空間。這會導致質子(或中子，視情況而定)拉伸和模糊。它們成長得很快，盡管時間很短。這使原子核中所有核子的平均大小出現偏斜，從而產生EMC效應。

現在，大多數物理學家都接受這種對EMC效應的解釋。在一些關鍵研究中與赫恩有過合作的杰拉爾德·米勒也同意這一觀點。但并不是每個人都認為赫恩的團隊解決了EMC效應問題。伊利諾斯州阿貢國家實驗室的核物理學家伊恩·克羅伊特(Ian Cloet)表示，他認為赫恩的研究結論并沒有得到數據的完全支持。

克羅伊特認為EMC效應問題仍然沒有解決。這是因為，核物理學的基本模型已經包含了赫恩描述的許多短程配對。克羅伊特說：“如果你用這個模型來研究EMC效應，你將無法描述EMC效應。目前還沒有人使用該框架成功解釋了EMC效應。所以在我看來，這仍然是個謎。”

克羅伊特表示，赫恩及其合作者所做的實驗工作是“勇敢的”，也是“非常好的科學”，但并沒有完全解決原子核的問題。“很明顯，傳統(tǒng)的核物理模型……無法解釋這種EMC效應，”他說，“我們現在認為，這種解釋肯定來自QCD本身。”

QCD即量子色動力學(quantum chromodynamics)，即控制夸克行為的規(guī)則體系。從核物理學轉換到量子色動力學，有點像用不同的方式觀看同一幅圖像。核物理學就像用第一代翻蓋手機觀看，而量子色動力學則是在高分辨率電視上看圖。高分辨率電視提供了更多的細節(jié)，但它的構建要復雜得多。

克羅伊特和赫恩都表示，問題在于描述原子核中所有夸克的完整QCD方程太難解了?？肆_伊特估計，現代超級計算機要大約100年后才能達到解決這一難題的運算速度。即使今天的超級計算機速度足夠快，這些方程也還沒有發(fā)展到可以代入計算機的程度。

不過，克羅伊特認為，利用QCD來回答一些問題是可能的?，F在，這些答案為EMC效應提供了新的解釋：核平均場理論(Nuclear Mean-Field Theory)。

克羅伊特并不同意原子核中有20%的核子參與短程關聯的觀點。他指出，實驗無法證明這一點，而且這個觀點也存在一些理論問題。于是，他提出了一個新的模型。“我所了解的情況是，原子核內部有非常強大的核力，”他說，“這有點像電磁場，只不過它們是強力場。”

這些場的作用距離非常小，在原子核外的作用可以忽略不計，但在原子核內卻非常強大。在克羅伊特的模型中，這些被他稱為“平均場”的力場實際上會使質子、中子和介子(一種攜帶強核力的粒子)的內部結構發(fā)生變形。

“就像你把一個原子放在強磁場中，它的內部結構就會發(fā)生改變，”克羅伊特說道。換句話說，平均場理論物理學家認為，赫恩描述的密封房間其實并不嚴實，墻壁上的洞會讓風吹進來，把夸克吹得四處都是，使它們拉伸。

克羅伊特承認，短程關聯可能解釋了一部分EMC效應;而赫恩表示，平均場可能也起了作用。問題是，哪一個占主導地位?

米勒也與克羅伊特有過廣泛的合作，他表示，平均場的優(yōu)勢在于理論基礎更加扎實，但克羅伊特并沒有做所有必要的計算。目前，大量的實驗證據表明，赫恩在這場爭論中占了上風。

赫恩和克羅伊特都表示，未來幾年的實驗結果很可能會解決這個問題。赫恩提到了弗吉尼亞州杰弗遜國家加速器中心正在進行的一項實驗。研究人員將在該實驗中觀察核子一點一點相互靠近時的變化?？肆_伊特表示，他希望看到的是一個“極化EMC實驗”，該實驗將利用質子自旋(一種量子特性)來打破這種效應?；蛟S這個實驗能揭示EMC效應的未知細節(jié)，從而有助于下一步的計算。

這是一場友好的辯論。“這很棒，因為這意味著我們仍在取得進展，”米勒說，“最終，一些東西將會出現在教科書里，比賽也塵埃落定。事實上，有兩個競爭的理論意味著這個問題令人興奮，而且充滿活力。現在，我們終于有了解決這些問題的實驗工具。”

至于未來會發(fā)生什么，讓我們拭目以待吧。(任天)

關鍵詞：