El efecto EMC es la sorprendente observación de que la sección transversal de la dispersión inelástica profunda de un núcleo atómico es diferente de la del mismo número de protones y neutrones libres (denominados colectivamente nucleones ). De esta observación, se puede inferir que las distribuciones de momento de los quarks en los nucleones unidos dentro del núcleo 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 "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 inelásticas profundas que investigan las distribuciones de quarks. Si bien se han escrito más de 1.000 artículos científicos sobre el tema y se han propuesto numerosas hipótesis, no se ha confirmado ninguna explicación definitiva de 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 los neutrones , denominados colectivamente nucleones , son los constituyentes de los núcleos atómicos y de la materia nuclear como la de las estrellas de neutrones . Los propios 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 de 1990 ).
En la reacción DIS, una sonda (normalmente un electrón acelerado ) se dispersa desde un quark individual dentro de un nucleón. Midiendo la sección transversal del proceso DIS, se puede determinar la distribución de quarks dentro del nucleón . Estas distribuciones son efectivamente funciones de una sola variable, conocida como Bjorken- x , que es una medida de la fracción del momento del quark golpeado por el electrón.
Los experimentos que utilizan DIS de protones mediante electrones y otras sondas han permitido a los físicos medir la distribución de quarks de protones en un amplio rango de Bjorken- x , es decir, la probabilidad de encontrar un quark con fracción de momento x en el protón. Los experimentos con objetivos de deuterio y helio-3 también han permitido a los físicos determinar la distribución de quarks del neutrón.
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 determinar la dispersión de muones de alta energía desde objetivos de hierro y deuterio. Se esperaba que la sección transversal del 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) sería aproximadamente 1. En cambio, los datos (Fig. 1) mostró 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 sello distintivo del efecto EMC. La pendiente de esta relación de sección transversal entre 0,3 < x < 0,7 a menudo se denomina "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. Ejemplos notables incluyen:
El efecto EMC es sorprendente debido a la diferencia en las escalas de energía entre la unión nuclear y la dispersión inelástica profunda. Las energías de enlace típicas de los nucleones en los núcleos son del orden de 10 megaelectrones voltios (MeV). Las transferencias de energía típicas en DIS son del orden de varios gigaelectrones voltios (GeV). Por lo tanto, se creía que los efectos de la unión 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 Fig. 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 corto plazo. -Pares correlacionados de rango. [7] [8]
La hipótesis de la modificación del campo medio sugiere que el entorno nuclear conduce a una modificación de la estructura del nucleón. A modo de ilustración, consideremos 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 llevaría a una densidad de sólo 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 de 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 estructural y son consistentes con la observación de que el efecto EMC aumenta con el tamaño nuclear, aumenta 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 estructural g 1 dependiente del espín de los núcleos en relación con la de sus protones y neutrones constituyentes. [9] Esta predicción se probará experimentalmente utilizando mediciones de un objetivo polarizado de Li-7 como parte del programa CLAS-12 del Laboratorio Jefferson . [ cita necesaria ]
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 se encuentran en pares temporales correlacionados 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 vida corta con una superposición espacial significativa con un nucleón asociado.
Los nucleones de estos pares luego se separan con grandes momentos consecutivos de varios cientos de MeV/ c (mayores que el impulso 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 en función del impulso del nucleón, que se probó utilizando técnicas de etiquetado de retroceso en experimentos en el Laboratorio Jefferson. Los resultados mostraron evidencia definitiva a favor de SRC. [4]