تأثير التوافق الكهرومغناطيسي

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

تأثير EMC هو ملاحظة مثيرة للدهشة، وهي أن المقطع العرضي للتشتت غير المرن العميق من نواة ذرية يختلف عن المقطع العرضي لنفس العدد من البروتونات والنيوترونات الحرة (المشار إليها مجتمعةً بالنيوكليونات ). من هذه الملاحظة، يُستنتج أن توزيعات زخم الكواركات في النيوكليونات المرتبطة داخل النوى تختلف عن تلك الموجودة في النيوكليونات الحرة. رُصد هذا التأثير لأول مرة عام 1983 في مركز سيرن بواسطة فريق التعاون الأوروبي للميونات [ 1 ] ، ومن هنا جاءت تسميته "تأثير EMC". كان هذا التأثير غير متوقع، لأن متوسط ​​طاقة ربط البروتونات والنيوترونات داخل النوى ضئيل مقارنةً بالطاقة المنقولة في تفاعلات التشتت غير المرن العميق التي تستكشف توزيعات الكواركات. على الرغم من كتابة أكثر من 1000 ورقة بحثية علمية حول هذا الموضوع، واقتراح العديد من الفرضيات، لم يتم تأكيد أي تفسير قاطع لسبب هذا التأثير. [ 2 ] يعد تحديد أصل تأثير EMC أحد المشاكل الرئيسية التي لم يتم حلها في مجال الفيزياء النووية .

خلفية

البروتونات والنيوترونات ، التي تُعرف مجتمعةً باسم النيوكليونات ، هي مكونات نوى الذرات والمادة النووية مثل تلك الموجودة في النجوم النيوترونية . والبروتونات والنيوترونات نفسها جسيمات مركبة تتكون من الكواركات والغلوونات ، وهو اكتشاف تم في مختبر SLAC في أواخر الستينيات باستخدام تجارب التشتت غير المرن العميق (DIS) ( جائزة نوبل عام 1990 ) .

في تفاعل التشتت غير المرن العميق (DIS)، يتشتت جسيم (عادةً إلكترون مُسرَّع ) من كوارك منفرد داخل نيوكليون. وبقياس المقطع العرضي لعملية التشتت غير المرن العميق، يُمكن تحديد توزيع الكواركات داخل النيوكليون . وتُعد هذه التوزيعات دالةً لمتغير واحد، يُعرف باسم Bjorken- x ، وهو مقياس لنسبة زخم النيوكليون الذي يحمله الكوارك المصطدم (ضمن إطار برايت ).

أتاحت التجارب التي تستخدم التشتت غير المرن العميق للبروتونات بواسطة الإلكترونات وغيرها من المجسات للفيزيائيين قياس توزيع الكواركات في البروتون على نطاق واسع من قيمة Bjorken- x ، أي احتمال وجود كوارك ذي كسر زخم x في البروتون. وبالمثل، أتاحت التجارب التي تستخدم أهدافًا من الديوتيريوم والهيليوم -3 للفيزيائيين تحديد توزيع الكواركات في النيوترون.

التاريخ التجريبي

الشكل 1. الشكل الأصلي من ورقة بحثية صادرة عن فريق EMC التعاوني. [ 1 ] في غياب تأثير EMC، لن يكون للبيانات ميل متناقص كدالة لـ Bjorken-x. في تجارب أحدث، كانت النسبة أقل من 1 لـ x ≲ 0.08
الشكل  2: شكل آخر من ورقة EMC الأصلية، [ 1 ] يوضح تنبؤات نسبة المقطع العرضي المُقاس للانتشار غير المرن العميق بناءً على تأثيرات فيرمي. لا تتطابق هذه التنبؤات مع البيانات التجريبية.

في عام 1983، نشر فريق التعاون الأوروبي للميونات نتائج تجربة أُجريت في مركز سيرن، حيث تم قياس تفاعل التشتت غير المرن العميق (DIS) لتشتت الميونات عالية الطاقة من أهداف الحديد والديوتيريوم. كان من المتوقع أن يكون المقطع العرضي للتشتت غير المرن العميق من الحديد مقسومًا على نظيره من الديوتيريوم، ومضروبًا في معامل 28 (حيث تحتوي نواة الحديد-56 على 28  ضعف عدد النيوكليونات الموجودة في الديوتيريوم)، مساويًا تقريبًا للواحد. إلا أن البيانات (الشكل  1) أظهرت انخفاضًا في الميل في المنطقة 0.3 < x < 0.7، ليصل إلى أدنى قيمة له عند 0.85 عند أكبر قيم x  .

يُعدّ هذا الانحدار المتناقص سمةً مميزةً لتأثير EMC. ويُشار غالبًا إلى ميل نسبة المقطع العرضي هذه بين 0.3 < x < 0.7 باسم "حجم تأثير EMC" لنواة معينة.

منذ ذلك الاكتشاف التاريخي، تم قياس تأثير EMC على نطاق واسع من النوى، في العديد من المختبرات المختلفة، وباستخدام مجسات متعددة ومتنوعة. ومن الأمثلة البارزة على ذلك:

التفسيرات المحتملة

يُعدّ تأثير EMC مفاجئًا نظرًا لاختلاف مستويات الطاقة بين الربط النووي والتشتت غير المرن العميق. تتراوح طاقات الربط النموذجية للنيوكليونات في النوى حول 10 ميغا إلكترون فولت (MeV). بينما تتراوح عمليات نقل الطاقة النموذجية في التشتت غير المرن العميق حول عدة غيغا إلكترون فولت (GeV). ولذلك، كان يُعتقد أن تأثيرات الربط النووي ضئيلة عند قياس توزيعات الكواركات.

طُرحت عدة فرضيات لتفسير سبب تأثير EMC. وبينما تم استبعاد العديد من الفرضيات القديمة، مثل حركة فيرمي (انظر الشكل  2) والبيونات النووية وغيرها، بواسطة بيانات تشتت الإلكترونات أو دريل-يان ، فإن الفرضيات الحديثة تندرج عمومًا ضمن فئتين رئيسيتين: تعديل المجال المتوسط، والأزواج المترابطة قصيرة المدى. [ 7 ] [ 8 ]

تعديل المجال المتوسط

تقترح فرضية تعديل المجال المتوسط ​​أن البيئة النووية تؤدي إلى تعديل في بنية النيوكليونات. على سبيل المثال، لنفترض أن متوسط ​​الكثافة داخل المادة النووية يبلغ حوالي 0.16  نيوكليون لكل فيمتومتر مكعب . إذا كانت النوى كرات صلبة، فسيكون نصف قطرها حوالي 1.1  فيمتومتر، مما يؤدي إلى كثافة تبلغ 0.13  نيوكليون فقط لكل فيمتومتر مكعب ، بافتراض التراص المثالي .

المادة النووية كثيفة، وقد يسمح التقارب الشديد بين النيوكليونات بتفاعل الكواركات في نيوكليونات مختلفة بشكل مباشر، مما يؤدي إلى تعديل بنيتها. تتنبأ نماذج المجال المتوسط ​​بأن جميع النيوكليونات تخضع لدرجة ما من تعديل البنية، وتتفق هذه النماذج مع الملاحظة القائلة بأن تأثير EMC يزداد مع حجم النواة، ويتناسب مع الكثافة المحلية، ويصل إلى حد التشبع في النوى الكبيرة جدًا. علاوة على ذلك، تتنبأ نماذج المجال المتوسط ​​أيضًا بتأثير EMC مستقطب كبير: وهو تعديل كبير لدالة البنية g1 المعتمدة على اللف المغزلي للنوى مقارنةً ببروتوناتها ونيوتروناتها المكونة لها. [ 9 ] سيتم اختبار هذا التنبؤ تجريبيًا باستخدام قياسات هدف Li-7 مستقطب كجزء من برنامج CLAS-12 في مختبر جيفرسون .

الارتباطات قصيرة المدى (SRC)

بدلاً من افتراض أن جميع النيوكليونات تخضع لتعديل ما، تفترض فرضية الارتباطات قصيرة المدى أن معظم النيوكليونات في أي لحظة تكون غير معدلة، بينما يكون بعضها معدلاً بشكل كبير. وتُعدّ النيوكليونات الأكثر تعديلاً هي تلك الموجودة في أزواج الارتباطات قصيرة المدى المؤقتة. وقد لوحظ أن حوالي 20% من النيوكليونات (في النوى المتوسطة والثقيلة) في أي لحظة معينة تكون جزءًا من أزواج قصيرة العمر ذات تداخل مكاني كبير مع نيوكليون آخر.

تتباعد النيوكليونات في هذه الأزواج بزخم كبير يصل إلى عدة مئات من ميغا إلكترون فولت/ ثانية - وهو أكبر من زخم فيرمي النووي - مما يجعلها النيوكليونات ذات الزخم الأعلى في النواة. في فرضية الارتباطات قصيرة المدى، ينشأ تأثير EMC من تعديل كبير لهذه النيوكليونات ذات الزخم العالي الناتجة عن الارتباطات قصيرة المدى.

يدعم هذا التفسير ملاحظة أن حجم تأثير EMC في النوى المختلفة يرتبط خطيًا بكثافة أزواج SRC. [ 10 ] [ 11 ] تتنبأ هذه الفرضية بزيادة التعديل كدالة لزخم النيوكليون، وهو ما تم اختباره باستخدام تقنيات وسم الارتداد في تجارب مختبر جيفرسون. أظهرت النتائج دليلًا قاطعًا لصالح SRC. [ 4 ]

مراجع

  1. 1 2 3 ج. ج. أوبير وآخرون  (1983). "نسبة دوال بنية النيوكليون F 2 N للحديد والديوتيريوم" . رسائل الفيزياء ب . 123 ب ( 3-4 ): 275-278 . رمز Bibcode : 1983PhLB..123..275A . doi : 10.1016/0370-2693(83)90437-9 .
  2. ↑ د. هيغينبوثام، جي إيه ميلر، أو. هين، وك. ريث، سيرن كورير، 26 أبريل 2013
  3. ↑ غوميز، ج.؛ أرنولد، ر. ج.؛ بوستيد، ب. إ.؛ تشانغ، س. س.؛ كاتراماتو، أ. ت.؛ بيتراتوس، ج. ج.؛ وآخرون . (1994-05-01). "قياس اعتماد تشتت الإلكترون غير المرن العميق على A ". مجلة Physical Review D. 49 ( 9): 4348–4372 . Bibcode : 1994PhRvD..49.4348G . doi : 10.1103/PhysRevD.49.4348 . PMID 10017440 .  
  4. 1 2 ب. شموكيلر وآخرون (مجموعة CLAS) (19 فبراير 2019). "بنية معدلة للبروتونات والنيوترونات في أزواج مترابطة" (ملف PDF) . مجلة Nature . 566 (7744): 354-358 . arXiv : 2004.12065 . Bibcode : 2019Natur.566..354C . doi : 10.1038/s41586-019-0925-9 . PMID : 30787453. S2CID : 67772892 .   
  5. ↑ سيغارا، إي بي؛ شميدت، أ؛ كوتز، ت؛ هيغينبوثام، دي دبليو؛ بياسيتزكي، إي؛ ستريكمان، م؛ وينشتاين، إل بي؛ هين، أو. (2020-03-06). "بنية تكافؤ النيوترون من التشتت غير المرن العميق النووي" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 124 (9) 092002. arXiv : 1908.02223 . Bibcode : 2020PhRvL.124i2002S . doi : 10.1103/PhysRevLett.124.092002 . PMID 32202871 . 
  6. ↑ سيلي، ج.؛ دانيال، أ.؛ غاسكيل، د.؛ أرينغتون، ج.؛ فومين، ن.؛ سولفينيون، ب.؛ وآخرون . (13 نوفمبر 2009). "قياسات جديدة لتأثير التعاون الأوروبي للميونات في النوى الخفيفة جدًا". رسائل المراجعة الفيزيائية . 103 (20) 202301. arXiv : 0904.4448 . Bibcode : 2009PhRvL.103t2301S . doi : 10.1103/ PhysRevLett.103.202301 . PMID 20365978. S2CID 119305632 .   
  7. ↑ هين، أور؛ ميلر، جيرالد أ.؛ بياسيتزكي، إيلي؛ وينشتاين، لورانس ب. (13 نوفمبر 2017). "ارتباطات النيوكليون-نيوكليون، والإثارات قصيرة العمر، والكواركات الكامنة". مراجعات الفيزياء الحديثة . 89 (4) 045002. arXiv : 1611.09748 . Bibcode : 2017RvMP...89d5002H . doi : 10.1103/RevModPhys.89.045002 . S2CID 53706086 . 
  8. ↑ نورتون، بي آر (2003). "تأثير التوافق الكهرومغناطيسي". تقارير عن التقدم في الفيزياء . 66 (8): 1253-1297 . رمز Bibcode : 2003RPPh...66.1253N . doi : 10.1088/0034-4885/66/8/201 . ISSN 0034-4885 . S2CID 250899760 .  
  9. ↑ كلويه، آي سي؛ بينتز، دبليو؛ توماس، إيه دبليو (2006). "تأثيرات التوافق الكهرومغناطيسي والتوافق الكهرومغناطيسي المستقطب في النوى". رسائل الفيزياء ب . 642 (3): 210-217 . arXiv : nucl-th/0605061 . Bibcode : 2006PhLB..642..210C . doi : 10.1016/j.physletb.2006.08.076 . S2CID 119517750 . 
  10. ↑ وينشتاين، إل بي؛ بياسيتزكي، إي؛ هيغينبوثام، دي دبليو؛ غوميز، جيه؛ هين، أو؛ شنور، آر. (2011-02-04). "الارتباطات قصيرة المدى وتأثير التوافق الكهرومغناطيسي". رسائل المراجعة الفيزيائية . 106 (5) 052301. arXiv : 1009.5666 . Bibcode : 2011PhRvL.106e2301W . doi : 10.1103/PhysRevLett.106.052301 . PMID 21405385. S2CID 26201601 .  
  11. ↑ هين، أو.؛ ​​بياسيتزكي، إي.؛ وينشتاين، إل بي (26 أبريل 2012). "بيانات جديدة تعزز الصلة بين الارتباطات قصيرة المدى وتأثير EMC". مجلة Physical Review C. 85 ( 4) 047301. arXiv : 1202.3452 . Bibcode : 2012PhRvC..85d7301H . doi : 10.1103/PhysRevC.85.047301 . S2CID 119249929 .