El efecto EMC es la sorprendente observación de que la sección eficaz para la 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 quarks en nucleones ligados dentro de núcleos son diferentes de las de los nucleones libres. Este efecto fue observado por primera vez en 1983 en el CERN por la European Muon Collaboration [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 reacciones de dispersión inelástica profunda que investigan 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 .
Los protones y neutrones , denominados colectivamente nucleones , son los componentes 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 los años 1960 mediante experimentos de dispersión inelástica profunda (DIS) ( Premio Nobel 1990 ).
En la reacción DIS, una sonda (normalmente un electrón acelerado ) se dispersa desde un quark individual dentro de un nucleón. Al medir la sección transversal del proceso DIS, se puede determinar la distribución de quarks dentro del nucleón . Estas distribuciones son efectivamente funciones de una única variable, conocida como Bjorken- x , que es una medida de la fracción del momento del quark golpeado por el electrón.
Los experimentos que utilizan la DIS de los protones por parte de 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 una fracción de momento x en el protón. Los experimentos que utilizan dianas de deuterio y helio-3 han permitido de manera similar a los físicos determinar la distribución de quarks del neutrón.
En 1983, la European Muon Collaboration 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 a partir de dianas de hierro y deuterio. Se esperaba que la sección eficaz para la 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 altos de x .
Esta pendiente decreciente es un sello distintivo del efecto EMC. La pendiente de esta relación de sección transversal entre 0,3 < x < 0,7 se suele denominar "tamaño del efecto EMC" para un núcleo determinado.
Desde ese descubrimiento histórico, el efecto EMC se ha medido en una amplia gama de núcleos, en varios laboratorios diferentes y con múltiples sondas diferentes. Algunos ejemplos notables incluyen:
El efecto EMC es 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 más antiguas, como el movimiento de Fermi (ver Figura 2), los piones nucleares y otras, han sido descartadas por la dispersión de electrones o los datos 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]
La hipótesis de modificación del campo medio sugiere que el entorno nuclear conduce a una modificación de la estructura de los nucleones. A modo de ejemplo, considere que la densidad media dentro de una materia nuclear es de aproximadamente 0,16 nucleones por fm 3 . Si los núcleos fueran esferas duras, su radio sería de aproximadamente 1,1 fm, lo que daría lugar a una densidad de solo 0,13 nucleones por fm 3 , suponiendo un empaquetamiento 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 de los nucleones. Los modelos de campo medio predicen que todos los nucleones experimentan algún 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 probará experimentalmente utilizando mediciones de un objetivo de Li-7 polarizado como parte del programa CLAS-12 del Laboratorio Jefferson . [ cita requerida ]
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 los que forman pares de correlación temporal de corto alcance (SRC). Se ha observado que aproximadamente el 20% de los nucleones (en núcleos medianos y pesados) en un momento dado forman parte de pares de corta duración con una superposición espacial significativa con un nucleón asociado.
Los nucleones de estos pares se separan y retroceden con grandes momentos consecutivos de varios cientos de MeV/ c (mayores que el momento nuclear de Fermi ), 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 está respaldada por 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 como función del momento del nucleón, que se probó utilizando técnicas de marcado de retroceso en experimentos en el Laboratorio Jefferson. Los resultados mostraron evidencia definitiva a favor del SRC. [4]