夸克和膠子是構(gòu)成我們?cè)谟钪嬷锌吹降拇蟛糠治镔|(zhì)的基本粒子，它們深埋在構(gòu)成原子核的質(zhì)子和中子之中。美國(guó)能源部斯坦福直線加速器中心的諾貝爾獎(jiǎng)研究在半個(gè)世紀(jì)前首次證明了夸克和膠子的存在（現(xiàn)在稱(chēng)為SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室）。

這些開(kāi)創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)開(kāi)創(chuàng)了深度非彈性散射的新時(shí)代。質(zhì)子和中子內(nèi)部的夸克和膠子是利用高能電子深入其中進(jìn)行探測(cè)的。

肯特州立大學(xué)教授、MARATHON實(shí)驗(yàn)的發(fā)言人和聯(lián)系人Gerassimos (Makis) Petratos解釋說(shuō)：“當(dāng)我們說(shuō)深度非彈性散射時(shí)，我們的意思是，當(dāng)散射的電子被最先進(jìn)的粒子探測(cè)系統(tǒng)捕獲時(shí)，被電子束轟擊的核子瞬間破裂，從而顯示出它們內(nèi)部的核子?！?/p>

收集這些碰撞產(chǎn)生的電子的巨大粒子檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量它們的動(dòng)量--一個(gè)包括電子質(zhì)量和速度的物理量。自從五十年前的那些實(shí)驗(yàn)以來(lái)，深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在世界各地的不同實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。這些實(shí)驗(yàn)促進(jìn)了核物理學(xué)家對(duì)夸克和膠子在質(zhì)子和中子結(jié)構(gòu)中的作用的理解。今天，實(shí)驗(yàn)繼續(xù)對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行微調(diào)，以找出更多的細(xì)節(jié)信息。

在最近完成的MARATHON實(shí)驗(yàn)中，核物理學(xué)家首次比較了兩個(gè)鏡像核的深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，以了解它們的結(jié)構(gòu)。物理學(xué)家們選擇關(guān)注氦-3和氚的原子核，這是一種氫的同位素。氦-3有兩個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，而氚有兩個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子。如果能通過(guò)將所有質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子，將中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子來(lái)"鏡像"轉(zhuǎn)化氦-3，其結(jié)果將是氚。這就是它們被稱(chēng)為鏡像核的原因。

“我們使用了現(xiàn)有的最簡(jiǎn)單的鏡像核系統(tǒng)，即氚和氦-3，這就是這個(gè)系統(tǒng)如此有趣的原因，”杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的工作人員科學(xué)家和MARATHON實(shí)驗(yàn)的共同發(fā)起人David Meekins說(shuō)。

“事實(shí)證明，如果我們測(cè)量這兩個(gè)核的截面比例，我們可以獲得質(zhì)子相對(duì)于中子的結(jié)構(gòu)功能。這兩個(gè)量可能與核內(nèi)上下夸克的分布有關(guān)，”P(pán)etratos說(shuō)。

MARATHON實(shí)驗(yàn)最初是在1999年的夏季研討會(huì)上設(shè)想的，最終于2018年在杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的連續(xù)電子束加速器設(shè)施(CEBAF)中進(jìn)行。MARATHON實(shí)驗(yàn)合作的130多名成員克服了許多障礙，開(kāi)展了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

例如，MARATHON需要高能電子，這是由2017年完成的12 GeV CEBAF升級(jí)項(xiàng)目所實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的氚的靶系統(tǒng)。

“對(duì)于這個(gè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)，顯然最大的挑戰(zhàn)是目標(biāo)。氚是一種放射性氣體，我們需要確保安全高于一切，”Meekins解釋說(shuō)?！澳鞘菍?shí)驗(yàn)室任務(wù)的一部分。沒(méi)有什么是重要到我們可以犧牲安全的。”

該實(shí)驗(yàn)將10.59 GeV的電子送入實(shí)驗(yàn)大廳A的四個(gè)不同目標(biāo)。輸出的電子被收集起來(lái)，并由大廳的左右兩臺(tái)高分辨率光譜儀進(jìn)行測(cè)量。數(shù)據(jù)采集完成后，合作方努力仔細(xì)分析數(shù)據(jù)。最后的研究包括了原始數(shù)據(jù)，以使其他小組能夠在他們自己的分析中使用無(wú)模型的數(shù)據(jù)。它還提供了一個(gè)由Petratos領(lǐng)導(dǎo)的分析，該分析是基于一個(gè)理論模型的最小修正。

“我們想說(shuō)清楚的是，這是我們做的測(cè)量，這是我們?nèi)绾巫龅模@是從測(cè)量中提取的科學(xué)數(shù)據(jù)，這是我們?nèi)绾巫龅模盡eekins解釋說(shuō)?！拔覀儾槐?fù)?dān)心偏向于任何模型而不是另一個(gè)模型--任何人都可以采取數(shù)據(jù)并應(yīng)用它?！?/p>

除了提供質(zhì)子/中子結(jié)構(gòu)函數(shù)比的精確測(cè)定外，這些數(shù)據(jù)還包括這些鏡像核的更高的電子動(dòng)量測(cè)量值，比以前的要高。這個(gè)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集也為回答核物理學(xué)中的其他問(wèn)題打開(kāi)了一扇門(mén)，例如為什么夸克在核內(nèi)的分布與自由質(zhì)子和中子不同（這種現(xiàn)象稱(chēng)為EMC效應(yīng)），以及對(duì)核內(nèi)粒子結(jié)構(gòu)的其他研究。

在討論這些結(jié)果時(shí)，MARATHON發(fā)言人迅速將最終結(jié)果歸功于合作成員的辛勤工作。

肯特州立大學(xué)教授、MARATHON實(shí)驗(yàn)的共同發(fā)言人Mina Katramatou說(shuō)：“這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成功要?dú)w功于參與實(shí)驗(yàn)的杰出團(tuán)體，同時(shí)也歸功于杰斐遜實(shí)驗(yàn)室對(duì)我們的支持。我們還有一群年輕的物理學(xué)家在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，包括早期的博士后研究人員和研究生?！?/p>

“有五個(gè)研究生從這個(gè)數(shù)據(jù)中得到了他們的論文研究，”Meekins證實(shí)。“而且這是很好的數(shù)據(jù)，我們做得很好，而且這很難做到。”