夸克和膠子是構(gòu)成我們在宇宙中看到的大部分物質(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。美國能源部斯坦福直線加速器中心的諾貝爾獎研究在半個世紀(jì)前首次證明了夸克和膠子的存在（現(xiàn)在稱為SLAC國家加速器實驗室）。

這些開創(chuàng)性的實驗開創(chuàng)了深度非彈性散射的新時代。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)行探測的。

肯特州立大學(xué)教授、MARATHON實驗的發(fā)言人和聯(lián)系人Gerassimos (Makis) Petratos解釋說：“當(dāng)我們說深度非彈性散射時，我們的意思是，當(dāng)散射的電子被最先進(jìn)的粒子探測系統(tǒng)捕獲時，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系統(tǒng)測量它們的動量--一個包括電子質(zhì)量和速度的物理量。自從五十年前的那些實驗以來，深度非彈性散射實驗已經(jīng)在世界各地的不同實驗室進(jìn)行。這些實驗促進(jìn)了核物理學(xué)家對夸克和膠子在質(zhì)子和中子結(jié)構(gòu)中的作用的理解。今天，實驗繼續(xù)對這一過程進(jìn)行微調(diào)，以找出更多的細(xì)節(jié)信息。

在最近完成的MARATHON實驗中，核物理學(xué)家首次比較了兩個鏡像核的深度非彈性散射實驗的結(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有兩個質(zhì)子和一個中子，而氚有兩個中子和一個質(zhì)子。如果能通過將所有質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子，將中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子來"鏡像"轉(zhuǎn)化氦-3，其結(jié)果將是氚。這就是它們被稱為鏡像核的原因。

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

“事實證明，如果我們測量這兩個核的截面比例，我們可以獲得質(zhì)子相對于中子的結(jié)構(gòu)功能。這兩個量可能與核內(nèi)上下夸克的分布有關(guān)，”Petratos說。

MARATHON實驗最初是在1999年的夏季研討會上設(shè)想的，最終于2018年在杰斐遜實驗室的連續(xù)電子束加速器設(shè)施(CEBAF)中進(jìn)行。MARATHON實驗合作的130多名成員克服了許多障礙，開展了這項實驗。

例如，MARATHON需要高能電子，這是由2017年完成的12 GeV CEBAF升級項目所實現(xiàn)的，同時還需要一個專門的氚的靶系統(tǒng)。

“對于這個單獨(dú)的實驗，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。“那是實驗室任務(wù)的一部分。沒有什么是重要到我們可以犧牲安全的。”

該實驗將10.59 GeV的電子送入實驗大廳A的四個不同目標(biāo)。輸出的電子被收集起來，并由大廳的左右兩臺高分辨率光譜儀進(jìn)行測量。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模型的數(shù)據(jù)。它還提供了一個由Petratos領(lǐng)導(dǎo)的分析，該分析是基于一個理論模型的最小修正。

“我們想說清楚的是，這是我們做的測量，這是我們?nèi)绾巫龅模@是從測量中提取的科學(xué)數(shù)據(jù)，這是我們?nèi)绾巫龅?，”Meekins解釋說?！拔覀儾槐?fù)?dān)心偏向于任何模型而不是另一個模型--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)比的精確測定外，這些數(shù)據(jù)還包括這些鏡像核的更高的電子動量測量值，比以前的要高。這個高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集也為回答核物理學(xué)中的其他問題打開了一扇門，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)象稱為EMC效應(yīng)），以及對核內(nèi)粒子結(jié)構(gòu)的其他研究。

在討論這些結(jié)果時，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實驗的共同發(fā)言人Mina Katramatou說：“這項實驗的成功要?dú)w功于參與實驗的杰出團(tuán)體，同時也歸功于杰斐遜實驗室對我們的支持。我們還有一群年輕的物理學(xué)家在做這個實驗，包括早期的博士后研究人員和研究生?！?/p>

“有五個研究生從這個數(shù)據(jù)中得到了他們的論文研究，”Meekins證實?！岸疫@是很好的數(shù)據(jù)，我們做得很好，而且這很難做到。”