Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

efecto EMC

El efecto EMC es la sorprendente observación de que la sección eficaz de dispersión inelástica profunda de un núcleo atómico es diferente de la del mismo número de protones y ne...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

El efecto EMC es la sorprendente observación de que la sección eficaz de dispersión inelástica profunda de un núcleo atómico es diferente de la del mismo número de protones y neutrones libres (denominados colectivamente nucleones ). A partir de esta observación, se puede inferir que las distribuciones de momento de los quarks en los nucleones ligados dentro de los núcleos son diferentes de las de los nucleones libres. Este efecto fue observado por primera vez en 1983 en el CERN por la Colaboración Europea de Muones [ 1 ] , de ahí el nombre de "efecto EMC". Fue inesperado, ya que la energía de enlace promedio de protones y neutrones dentro de los núcleos es insignificante en comparación con la energía transferida en las reacciones de dispersión inelástica profunda que sondean las distribuciones de quarks. Si bien se han escrito más de 1000 artículos científicos sobre el tema y se han propuesto numerosas hipótesis, no se ha confirmado ninguna explicación definitiva para la causa del efecto. [ 2 ] Determinar el origen del efecto EMC es uno de los principales problemas sin resolver en el campo de la física nuclear .

Fondo

Los protones y neutrones , denominados colectivamente nucleones , son los constituyentes de los núcleos atómicos y de la materia nuclear, como la de las estrellas de neutrones . Los protones y neutrones son partículas compuestas formadas por quarks y gluones , un descubrimiento realizado en el SLAC a finales de la década de 1960 mediante experimentos de dispersión inelástica profunda (DIS) ( Premio Nobel de 1990 ).

En la reacción DIS, una sonda (típicamente un electrón acelerado ) se dispersa al chocar con un quark individual dentro de un nucleón. Midiendo la sección eficaz del proceso DIS, se puede determinar la distribución de quarks dentro del nucleón . Estas distribuciones son, en efecto, funciones de una única variable, conocida como Bjorken- x , que mide la fracción del momento del nucleón transportada por el quark impactado (en el sistema de referencia de Breit ).

Los experimentos que utilizan la dispersión inelástica profunda (DIS) de protones mediante electrones y otras sondas han permitido a los físicos medir la distribución de quarks del protón en un amplio rango de Bjorken- x , es decir, la probabilidad de encontrar un quark con fracción de momento x en el protón. De manera similar, los experimentos que utilizan blancos de deuterio y helio-3 han permitido a los físicos determinar la distribución de quarks del neutrón.

Historia experimental

Figura 1. Figura original del artículo de la Colaboración EMC. [ 1 ] En ausencia del efecto EMC, los datos no tendrían una pendiente descendente en función de Bjorken-x. En experimentos más recientes, la relación fue inferior a 1 para x ≲ 0,08.
Figura  2: Otra figura del artículo original de EMC, [ 1 ] que muestra predicciones para la relación de sección transversal DIS escalada basada en efectos Fermi. Estas predicciones no coinciden con los datos experimentales.

En 1983, la Colaboración Europea de Muones publicó los resultados de un experimento realizado en el CERN en el que se midió la reacción DIS para la dispersión de muones de alta energía de blancos de hierro y deuterio. Se esperaba que la sección transversal para DIS del hierro dividida por la del deuterio, y escalada por un factor de 28 (el núcleo de hierro-56  tiene 28 veces más nucleones que el deuterio) fuera aproximadamente 1. En cambio, los datos (Fig.  1) mostraron una pendiente decreciente en la región de 0,3 < x < 0,7, alcanzando un mínimo de 0,85 en los valores más grandes de x  .

Esta pendiente decreciente es un rasgo distintivo del efecto EMC. La pendiente de esta relación de sección transversal entre 0,3 < x < 0,7 se suele denominar "magnitud del efecto EMC" para un núcleo determinado.

Desde aquel descubrimiento trascendental, el efecto EMC se ha medido en una amplia gama de núcleos, en varios laboratorios diferentes y con múltiples sondas distintas. Algunos ejemplos notables son:

Posibles explicaciones

El efecto EMC resulta sorprendente debido a la diferencia en las escalas de energía entre el enlace nuclear y la dispersión inelástica profunda. Las energías de enlace típicas para los nucleones en los núcleos son del orden de 10 megaelectronvoltios (MeV). Las transferencias de energía típicas en DIS son del orden de varios gigaelectronvoltios (GeV). Por lo tanto, se creía que los efectos del enlace nuclear eran insignificantes al medir las distribuciones de quarks.

Se han propuesto varias hipótesis sobre la causa del efecto EMC. Si bien muchas hipótesis antiguas, como el movimiento de Fermi (véase la figura 2), los piones  nucleares y otras, han sido descartadas por datos de dispersión de electrones o de Drell-Yan , las hipótesis modernas generalmente se dividen en dos categorías viables: modificación del campo medio y pares correlacionados de corto alcance. [ 7 ] [ 8 ]

Modificación del campo medio

La hipótesis de modificación de campo medio sugiere que el entorno nuclear produce una modificación de la estructura del nucleón. Como ejemplo, consideremos que la densidad media dentro de la materia nuclear es de aproximadamente 0,16  nucleones por fm³ . Si los núcleos fueran esferas rígidas, su radio sería de aproximadamente 1,1 fm, lo que daría lugar a una densidad de tan solo 0,13 nucleones por fm³ , suponiendo un empaquetamiento compacto ideal .  

La materia nuclear es densa, y la proximidad de los nucleones puede permitir que los quarks en diferentes nucleones interactúen directamente, lo que lleva a la modificación del nucleón. Los modelos de campo medio predicen que todos los nucleones experimentan cierto grado de modificación de la estructura, y son consistentes con la observación de que el efecto EMC aumenta con el tamaño nuclear, escala con la densidad local y se satura para núcleos muy grandes. Además, los modelos de campo medio también predicen un gran "efecto EMC polarizado": una gran modificación de la función de estructura g 1 dependiente del espín para los núcleos en relación con la de sus protones y neutrones constituyentes. [ 9 ] Esta predicción se pondrá a prueba experimentalmente utilizando mediciones de un blanco polarizado de Li-7 como parte del programa CLAS-12 del Laboratorio Jefferson .

Correlaciones de corto alcance (SRC)

En lugar de que todos los nucleones experimenten alguna modificación, la hipótesis de las correlaciones de corto alcance predice que la mayoría de los nucleones en un momento dado no están modificados, pero algunos sí lo están sustancialmente. Los nucleones más modificados son aquellos que forman pares temporales correlacionados de corto alcance (SRC). Se ha observado que aproximadamente el 20 % de los nucleones (en núcleos medianos y pesados) forman parte, en cualquier momento dado, de pares efímeros con una superposición espacial significativa con un nucleón compañero.

Los nucleones de estos pares retroceden con grandes momentos magnéticos opuestos de varios cientos de MeV/ c , mayores que el momento de Fermi nuclear , lo que los convierte en los nucleones de mayor momento del núcleo. En la hipótesis de las correlaciones de corto alcance (SRC), el efecto EMC surge de una gran modificación de estos nucleones SRC de alto momento.

Esta explicación se apoya en la observación de que el tamaño del efecto EMC en diferentes núcleos se correlaciona linealmente con la densidad de pares SRC. [ 10 ] [ 11 ] Esta hipótesis predice una modificación creciente en función del momento del nucleón, lo cual se comprobó utilizando técnicas de etiquetado de retroceso en experimentos en el Laboratorio Jefferson. Los resultados mostraron evidencia definitiva a favor de SRC. [ 4 ]

Referencias

  1. 1 2 3 J.J. Aubert; et  al. (1983). "La relación de las funciones de estructura del nucleón F 2 N para el hierro y el deuterio" . Phys. Lett. B. 123B ( 3–4 ) : 275–278 . Bibcode : 1983PhLB..123..275A . doi : 10.1016/0370-2693(83)90437-9 .
  2. ↑ D. Higinbotham, GA Miller, O. Hen y K. Rith, CERN Courier, 26 de abril de 2013
  3. ↑ Gomez, J.; Arnold, RG; Bosted, PE; Chang, CC; Katramatou, AT; Petratos, GG; et al. (1994-05-01). "Medición de la dependencia de A de la dispersión inelástica profunda de electrones". Physical Review D . 49 (9): 4348– 4372. Bibcode : 1994PhRvD..49.4348G . doi : 10.1103/PhysRevD.49.4348 . PMID 10017440 .  
  4. 1 2 B. Schmookler; et al. (Colaboración CLAS) (19 de febrero de 2019). "Estructura modificada de protones y neutrones en pares correlacionados" ( PDF) . Nature . 566 (7744): 354–358 . arXiv : 2004.12065 . Bibcode : 2019Natur.566..354C . doi : 10.1038/s41586-019-0925-9 . PMID 30787453. S2CID 67772892 .   
  5. ↑ Segarra, EP; Schmidt, A.; Kutz, T.; Higinbotham, DW; Piasetzky, E.; Strikman, M.; Weinstein, LB; Hen, O. (2020-03-06). "Estructura de valencia de neutrones a partir de dispersión inelástica profunda nuclear" . Physical Review Letters . 124 (9) 092002. arXiv : 1908.02223 . Bibcode : 2020PhRvL.124i2002S . doi : 10.1103/PhysRevLett.124.092002 . PMID 32202871 . 
  6. ↑ Seely, J.; Daniel, A.; Gaskell, D.; Arrington, J.; Fomin, N.; Solvignon, P.; et al. (2009-11-13). "Nuevas mediciones del efecto de la colaboración europea de muones en núcleos muy ligeros". Physical Review Letters . 103 (20) 202301. arXiv : 0904.4448 . Bibcode : 2009PhRvL.103t2301S . doi : 10.1103/PhysRevLett.103.202301 . PMID 20365978 . S2CID 119305632 .   
  7. ↑ Hen, Or; Miller, Gerald A.; Piasetzky, Eli; Weinstein, Lawrence B. (2017-11-13). "Correlaciones nucleón-nucleón, excitaciones de corta duración y los quarks dentro". Reviews of Modern Physics . 89 (4) 045002. arXiv : 1611.09748 . Bibcode : 2017RvMP...89d5002H . doi : 10.1103/RevModPhys.89.045002 . S2CID 53706086 . 
  8. ↑ Norton, PR (2003). "El efecto EMC". Reports on Progress in Physics . 66 (8): 1253– 1297. Bibcode : 2003RPPh...66.1253N . doi : 10.1088/0034-4885/66/8/201 . ISSN 0034-4885 . S2CID 250899760 .  
  9. ↑ Cloët, IC; Bentz, W.; Thomas, AW (2006). "Efectos EMC y EMC polarizados en núcleos". 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 . 
  10. ↑ Weinstein, LB; Piasetzky, E.; Higinbotham, DW; Gomez, J.; Hen, O.; Shneor, R. (2011-02-04). "Correlaciones de corto alcance y el efecto EMC". Physical Review Letters . 106 (5) 052301. arXiv : 1009.5666 . Bibcode : 2011PhRvL.106e2301W . doi : 10.1103/PhysRevLett.106.052301 . PMID 21405385 . S2CID 26201601 .  
  11. ↑ Hen, O.; Piasetzky, E.; Weinstein, LB (26-04-2012). "Nuevos datos refuerzan la conexión entre las correlaciones de corto alcance y el efecto EMC". Physical Review C . 85 (4) 047301. arXiv : 1202.3452 . Bibcode : 2012PhRvC..85d7301H . doi : 10.1103/PhysRevC.85.047301 . S2CID 119249929 .