质子和中子的“镜子”使科学家们能够研究构建我们宇宙的粒子

夸克和胶子是构成我们在宇宙中看到的大部分物质的基本粒子，它们深埋在构成原子核的质子和中子之中。美国能源部斯坦福直线加速器中心的诺贝尔奖研究在半个世纪前首次证明了夸克和胶子的存在（现在称为SLAC国家加速器实验室）。

这些开创性的实验开创了深度非弹性散射的新时代。质子和中子内部的夸克和胶子是利用高能电子深入其中进行探测的。

肯特州立大学教授、MARATHON实验的发言人和联系人Gerassimos (Makis) Petratos解释说：“当我们说深度非弹性散射时，我们的意思是，当散射的电子被最先进的粒子探测系统捕获时，被电子束轰击的核子瞬间破裂，从而显示出它们内部的核子。”

收集这些碰撞产生的电子的巨大粒子检测系统测量它们的动量--一个包括电子质量和速度的物理量。自从五十年前的那些实验以来，深度非弹性散射实验已经在世界各地的不同实验室进行。这些实验促进了核物理学家对夸克和胶子在质子和中子结构中的作用的理解。今天，实验继续对这一过程进行微调，以找出更多的细节信息。

在最近完成的MARATHON实验中，核物理学家首次比较了两个镜像核的深度非弹性散射实验的结果，以了解它们的结构。物理学家们选择关注氦-3和氚的原子核，这是一种氢的同位素。氦-3有两个质子和一个中子，而氚有两个中子和一个质子。如果能通过将所有质子转化为中子，将中子转化为质子来"镜像"转化氦-3，其结果将是氚。这就是它们被称为镜像核的原因。

“我们使用了现有的最简单的镜像核系统，即氚和氦-3，这就是这个系统如此有趣的原因，”杰斐逊实验室的工作人员科学家和MARATHON实验的共同发起人David Meekins说。

“事实证明，如果我们测量这两个核的截面比例，我们可以获得质子相对于中子的结构功能。这两个量可能与核内上下夸克的分布有关，”Petratos说。

MARATHON实验最初是在1999年的夏季研讨会上设想的，最终于2018年在杰斐逊实验室的连续电子束加速器设施(CEBAF)中进行。MARATHON实验合作的130多名成员克服了许多障碍，开展了这项实验。

例如，MARATHON需要高能电子，这是由2017年完成的12 GeV CEBAF升级项目所实现的，同时还需要一个专门的氚的靶系统。

“对于这个单独的实验，显然最大的挑战是目标。氚是一种放射性气体，我们需要确保安全高于一切，”Meekins解释说。“那是实验室任务的一部分。没有什么是重要到我们可以牺牲安全的。”

该实验将10.59 GeV的电子送入实验大厅A的四个不同目标。输出的电子被收集起来，并由大厅的左右两台高分辨率光谱仪进行测量。数据采集完成后，合作方努力仔细分析数据。最后的研究包括了原始数据，以使其他小组能够在他们自己的分析中使用无模型的数据。它还提供了一个由Petratos领导的分析，该分析是基于一个理论模型的最小修正。

“我们想说清楚的是，这是我们做的测量，这是我们如何做的，这是从测量中提取的科学数据，这是我们如何做的，”Meekins解释说。“我们不必担心偏向于任何模型而不是另一个模型--任何人都可以采取数据并应用它。”

除了提供质子/中子结构函数比的精确测定外，这些数据还包括这些镜像核的更高的电子动量测量值，比以前的要高。这个高质量的数据集也为回答核物理学中的其他问题打开了一扇门，例如为什么夸克在核内的分布与自由质子和中子不同（这种现象称为EMC效应），以及对核内粒子结构的其他研究。

在讨论这些结果时，MARATHON发言人迅速将最终结果归功于合作成员的辛勤工作。

肯特州立大学教授、MARATHON实验的共同发言人Mina Katramatou说：“这项实验的成功要归功于参与实验的杰出团体，同时也归功于杰斐逊实验室对我们的支持。我们还有一群年轻的物理学家在做这个实验，包括早期的博士后研究人员和研究生。”

“有五个研究生从这个数据中得到了他们的论文研究，”Meekins证实。“而且这是很好的数据，我们做得很好，而且这很难做到。”