為了更多地了解構成我們可觀察到的宇宙的粒子，科學家們正在為質子和中子舉起一面“鏡子”。通過比較所謂的鏡像核–氦-3和氚，美國能源部的托馬斯傑斐遜國家加速器裝置的MARATHON實驗發現了關於這些粒子結構的新見解。這些發現於2月9日發表在《物理評論快報》上。
夸克和膠子是構成我們在宇宙中看到的大部分物質的基本粒子，它們深埋在構成原子核的質子和中子之中。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前首次證明了夸克和膠子的存在（現在稱為SLAC國家加速器實驗室）。
這些開創性的實驗開創了深度非彈性散射的新時代。質子和中子內部的夸克和膠子是利用高能電子深入其中進行探測的。
肯特州立大學教授、MARATHON實驗的發言人和聯繫人Gerassimos (Makis) Petratos解釋說：“當我們說深度非彈性散射時，我們的意思是，當散射的電子被最先進的粒子探測系統捕獲時，被電子束轟擊的核子瞬間破裂，從而顯示出它們內部的核子。”
收集這些碰撞產生的電子的巨大粒子檢測系統測量它們的動量–一個包括電子質量和速度的物理量。自從五十年前的那些實驗以來，深度非彈性散射實驗已經在世界各地的不同實驗室進行。這些實驗促進了核物理學家對夸克和膠子在質子和中子結構中的作用的理解。今天，實驗繼續對這一過程進行微調，以找出更多的細節信息。
在最近完成的MARATHON實驗中，核物理學家首次比較了兩個鏡像核的深度非彈性散射實驗的結果，以了解它們的結構。物理學家們選擇關注氦-3和氚的原子核，這是一種氫的同位素。氦-3有兩個質子和一個中子，而氚有兩個中子和一個質子。如果能通過將所有質子轉化為中子，將中子轉化為質子來”鏡像”轉化氦-3，其結果將是氚。這就是它們被稱為鏡像核的原因。
“我們使用了現有的最簡單的鏡像核系統，即氚和氦-3，這就是這個系統如此有趣的原因，”傑斐遜實驗室的工作人員科學家和MARATHON實驗的共同發起人David Meekins說。
“事實證明，如果我們測量這兩個核的截面比例，我們可以獲得質子相對於中子的結構功能。這兩個量可能與核內上下夸克的分佈有關，”Petratos說。
MARATHON實驗最初是在1999年的夏季研討會上設想的，最終於2018年在傑斐遜實驗室的連續電子束加速器設施(CEBAF)中進行。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升級項目所實現的，同時還需要一個專門的氚的靶系統。
“對於這個單獨的實驗，顯然最大的挑戰是目標。氚是一种放射性氣體，我們需要確保安全高於一切，”Meekins解釋說。“那是實驗室任務的一部分。沒有什麼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。輸出的電子被收集起來，並由大廳的左右兩台高分辨率光譜儀進行測量。數據採集完成後，合作方努力仔細分析數據。最後的研究包括了原始數據，以使其他小組能夠在他們自己的分析中使用無模型的數據。它還提供了一個由Petratos領導的分析，該分析是基於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，這是我們如何做的，這是從測量中提取的科學數據，這是我們如何做的，”Meekins解釋說。“我們不必擔心偏向於任何模型而不是另一個模型–任何人都可以採取數據並應用它。”
除了提供質子/中子結構函數比的精確測定外，這些數據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。這個高質量的數據集也為回答核物理學中的其他問題打開了一扇門，例如為什麼夸克在核內的分佈與自由質子和中子不同（這種現象稱為EMC效應），以及對核內粒子結構的其他研究。
在討論這些結果時，MARATHON發言人迅速將最終結果歸功於合作成員的辛勤工作。
肯特州立大學教授、MARATHON實驗的共同發言人Mina Katramatou說：“這項實驗的成功要歸功於參與實驗的傑出團體，同時也歸功於傑斐遜實驗室對我們的支持。我們還有一群年輕的物理學家在做這個實驗，包括早期的博士后研究人員和研究生。”
“有五個研究生從這個數據中得到了他們的論文研究，”Meekins證實。“而且這是很好的數據，我們做得很好，而且這很難做到。”