EMC 효과

EMC effect

EMC 효과는 원자핵에서 심층 비탄성 산란을 위한 단면이 동일한 수의 자유 양성자 및 중성자(총칭하여 핵자라고 함)의 단면과 다르다는 놀라운 관측이다.이러한 관찰로부터, 핵 내부에 결합되어 있는 핵자의 쿼크 운동량 분포가 자유 핵자의 그것과 다르다는 것을 추론할 수 있다.이 효과는 1983년 CERN에서 유럽 뮤온 협업에 [1]의해 처음 관찰되었으며, 따라서 "EMC 효과"라는 이름이 붙여졌습니다.쿼크 분포를 탐색하는 깊은 비탄성 산란 반응에서 전달되는 에너지와 비교할 때 핵 내부의 양성자와 중성자의 평균 결합 에너지는 중요하지 않기 때문에 예상하지 못한 것이었다.이 주제에 대해 1000편 이상의 과학 논문이 쓰여지고 수많은 가설이 제시되었지만, 그 효과에 대한 명확한 설명은 [2]확인되지 않았다.EMC 효과의 기원을 결정하는 것은 핵 물리학 분야에서 해결되지 않은 주요 문제 중 하나이다.

배경

핵자로 통칭되는 양성자와 중성자는 원자핵과 중성자별과 같은 핵물질의 구성 요소이다.양성자와 중성자 자체는 쿼크와 글루온으로 이루어진 복합 입자로, 1960년대 후반 SLAC에서 심층 비탄성 산란(DIS) 실험을 통해 발견되었다(1990 노벨상).

DIS 반응에서 프로브(일반적으로 가속 전자)는 핵자 내부의 개별 쿼크에서 산란됩니다.DIS 공정의 단면을 측정함으로써 핵자 내의 쿼크 분포를 결정할 수 있다.이러한 분포는 사실상 전자에 의해 포착된 쿼크의 운동량 비율을 측정하는 비요켄-x로 알려진 단일 변수의 함수입니다.

전자와 다른 탐침에 의해 양성자의 DIS를 사용한 실험은 물리학자들이 광범위한 비요켄-x에 걸쳐 양성자의 쿼크 분포를 측정할 수 있게 했다. 즉, 양성자에서 운동량 비율 x를 가진 쿼크를 찾을 수 있는 확률이다.중수소와 헬륨-3 표적을 사용한 실험에서도 마찬가지로 물리학자들이 중성자의 쿼크 분포를 결정할 수 있었다.

실험 이력

그림 1. EMC [1]콜라보레이션에 의한 논문의 원본 수치.EMC 효과가 없을 경우 데이터는 Bjorken-x의 함수로서 하강 기울기를 가지지 않을 것이다.보다 최근의 실험에서, 그 비율은 x 08 0.08에 대해 1 미만이었다.
그림 2: 원래의 EMC [1]논문의 또 다른 그림으로, 페르미 효과에 근거해 축척된 DIS 단면비의 예측을 나타내고 있습니다.이러한 예측은 실험 데이터와 일치하지 않습니다.

1983년, 유럽 뮤온 공동 연구소는 철과 중수소 표적의 고에너지 뮤온 산란에 대한 DIS 반응을 측정한 CERN에서 수행된 실험 결과를 발표했다.철에서 중수소로 나눈 DIS의 단면은 약 1이 될 것으로 예상되었으며, 28의 인수로 스케일링되었다(철-56 핵은 중수소의 28배 더 많은 핵자를 가진다).대신, 데이터(그림 1)는 0.3 < x < 0.7의 영역에서 감소 기울기를 나타내며 x의 최대값에서 최소 0.85에 도달했다.

이 감소하는 기울기는 EMC 효과의 특징이다.0.3 < x < 0.7 사이의 이 단면비의 기울기를 종종 특정 핵에 대한 "EMC 효과의 크기"라고 한다.

이 획기적인 발견 이후 EMC 효과는 여러 개의 다른 실험실과 여러 개의 다른 프로브를 사용하여 광범위한 핵에 걸쳐 측정되었다.주목할 만한 예는 다음과 같습니다.

  • 자연 He, Be, C, Al, Ca, Fe, Ag, Au에서 EMC 효과를 측정한 SLAC의 E139 실험에서 EMC 효과는 핵 [3]크기에 따라 증가한다는 것을 발견했다.
  • 제퍼슨 연구소의 E03-103 실험은 광핵의 고정밀 측정에 초점을 맞췄고 효과의 크기는 평균 [4]핵 밀도가 아닌 국소 핵 밀도에 따라 확장된다는 것을 발견했다.
  • CERN의 NMC(New Muon Collaboration)에 대한 NA37 실험.

가능한 설명

EMC 효과는 핵 결합과 심층 비탄성 산란 사이의 에너지 척도의 차이 때문에 놀랍다.원자핵의 핵자에 대한 일반적인 결합 에너지는 10메가 일렉트론 볼트(MeV) 수준이다.DIS의 일반적인 에너지 전달은 몇 기가 일렉트론 볼트(GeV) 정도 됩니다.따라서 쿼크 분포를 측정할 때 핵결합 효과는 중요하지 않은 것으로 생각되었다.

EMC 효과의 원인에 대한 다수의 가설이 제시되었다.페르미 운동(그림 2 참조), 핵 파이온 및 기타 많은 오래된 가설은 전자 산란 또는 드렐-얀 데이터에 의해 배제되었지만, 현대의 가설은 일반적으로 두 가지 실행 가능한 범주, 즉 평균장 수정과 단거리 상관 [5][6]쌍으로 분류된다.

평균 필드 수정

평균장 수정 가설은 핵 환경이 핵자 구조의 수정으로 이어진다는 것을 시사한다.예시로 핵물질 내부의 평균 밀도는 fm당3 약 0.16개의 핵자라고 한다.핵이 단단한 구면일 경우 반지름은 약 1.1fm으로 이상적인 근접 패킹을 가정할 때 fm당3 0.13개의 핵자 밀도가 된다.

핵물질은 밀도가 높고, 핵자의 근접성은 서로 다른 핵자의 쿼크가 직접적으로 상호작용하여 핵자 변형을 초래할 수 있다.평균장 모델은 모든 핵자가 어느 정도 구조 변경을 경험한다고 예측하며, EMC 효과는 핵 크기에 따라 증가하고 국소 밀도에 따라 확장되며 매우 큰 핵에 대해 포화된다는 관측과 일치한다.더욱이, 평균장 모델은 또한 구성 양성자와 [7]중성자에 상대적인 핵에 대한 스핀 의존성1 g 구조 함수의 큰 수정인 "편광 EMC 효과"를 예측한다.이 예측은 Jefferson Lab 12 GeV [citation needed]프로그램의 일환으로 실험적으로 테스트될 것입니다.

단거리 상관 관계

단거리 상관 가설은 모든 핵자가 약간의 수정을 경험하는 대신, 대부분의 핵자는 한 번에 수정되지 않지만, 일부는 상당히 수정된다고 예측합니다.가장 심하게 변형된 핵자는 임시 단거리 상관(SRC) 쌍에 있는 핵자이다.주어진 순간에 (중간 및 중핵에 있는) 핵자의 약 20%가 파트너 핵자와 상당한 공간적 중첩을 갖는 단수명 쌍의 일부라는 것이 관찰되었다.

이러한 쌍의 핵자는 핵 페르미 운동량보다 큰 수백 MeV/c의 큰 연속 모멘타로 반동하여 핵에서 가장 높은 모멘텀 핵자가 된다.단거리 상관(SRC) 가설에서 EMC 효과는 이러한 고운동량 SRC 핵자의 대규모 수정에서 나타난다.

이 설명은 서로 다른 핵에서 EMC 효과의 크기가 SRC [8][9]쌍의 밀도와 선형적으로 상관한다는 관찰에 의해 뒷받침된다.이 가설은 제퍼슨 연구소의 실험에서 반동 태그 기술을 사용하여 테스트된 핵자 운동량의 함수로서 수식 증가를 예측한다.결과는 SRC에 [10]유리한 결정적인 증거를 보여주었다.

레퍼런스

  1. ^ a b c J.J. Aubert; et al. (1983). "The ratio of the nucleon structure functions F2N for iron and deuterium". Phys. Lett. B. 123B (3–4): 275–278. Bibcode:1983PhLB..123..275A. doi:10.1016/0370-2693(83)90437-9.
  2. ^ D. 히긴보텀, G.A 밀러, O.암탉과 K.Rith, CERN Courier, 2013년 4월 26일
  3. ^ Gomez, J.; Arnold, R.G.; Bosted, P.E.; Chang, C.C.; Katramatou, A.T.; Petratos, G.G.; et al. (1994-05-01). "Measurement of the A dependence of deep-inelastic electron scattering". Physical Review D. 49 (9): 4348–4372. Bibcode:1994PhRvD..49.4348G. doi:10.1103/PhysRevD.49.4348. PMID 10017440.
  4. ^ Seely, J.; Daniel, A.; Gaskell, D.; Arrington, J.; Fomin, N.; Solvignon, P.; et al. (2009-11-13). "New Measurements of the European Muon Collaboration Effect in Very Light Nuclei". Physical Review Letters. 103 (20): 202301. arXiv:0904.4448. Bibcode:2009PhRvL.103t2301S. doi:10.1103/PhysRevLett.103.202301. PMID 20365978. S2CID 119305632.
  5. ^ Hen, Or; Miller, Gerald A.; Piasetzky, Eli; Weinstein, Lawrence B. (2017-11-13). "Nucleon-nucleon correlations, short-lived excitations, and the quarks within". Reviews of Modern Physics. 89 (4): 045002. arXiv:1611.09748. Bibcode:2017RvMP...89d5002H. doi:10.1103/RevModPhys.89.045002. S2CID 53706086.
  6. ^ Norton, P. R. (2003). "The EMC effect". Reports on Progress in Physics. 66 (8): 1253–1297. Bibcode:2003RPPh...66.1253N. doi:10.1088/0034-4885/66/8/201. ISSN 0034-4885.
  7. ^ Cloët, I.C.; Bentz, W.; Thomas, A.W. (2006). "EMC and polarized EMC effects in nuclei". Physics Letters B. 642 (3): 210–217. arXiv:nucl-th/0605061. Bibcode:2006PhLB..642..210C. doi:10.1016/j.physletb.2006.08.076. S2CID 119517750.
  8. ^ Weinstein, L.B.; Piasetzky, E.; Higinbotham, D.W.; Gomez, J.; Hen, O.; Shneor, R. (2011-02-04). "Short Range Correlations and the EMC Effect". Physical Review Letters. 106 (5): 052301. arXiv:1009.5666. Bibcode:2011PhRvL.106e2301W. doi:10.1103/PhysRevLett.106.052301. PMID 21405385. S2CID 26201601.
  9. ^ Hen, O.; Piasetzky, E.; Weinstein, L.B. (2012-04-26). "New data strengthen the connection between short range correlations and the EMC effect". Physical Review C. 85 (4): 047301. arXiv:1202.3452. Bibcode:2012PhRvC..85d7301H. doi:10.1103/PhysRevC.85.047301. S2CID 119249929.
  10. ^ CLAS Collaboration et al. (CLAS) (2019-02-19). "Modified structure of protons and neutrons in correlated pairs" (PDF). Nature. 566 (7744): 354–358. arXiv:2004.12065. Bibcode:2019Natur.566..354C. doi:10.1038/s41586-019-0925-9. PMID 30787453. S2CID 67772892.{{cite journal}}: CS1 maint: 작성자 파라미터 사용(링크)