摘要：已知这些粒子由三个较小的基本单元（称为夸克）组成，它们由强大的核力载体（称为胶子）结合在一起。质子由两个“上”夸克和一个“下”夸克组成，而中子则由一个“上”夸克和两个“下”夸克组成。

核子是构成原子核的复合粒子，包括质子和中子。虽然核子在过去已被广泛研究，但其内部结构尚未完全阐明。

已知这些粒子由三个较小的基本单元（称为夸克）组成，它们由强大的核力载体（称为胶子）结合在一起。质子由两个“上”夸克和一个“下”夸克组成，而中子则由一个“上”夸克和两个“下”夸克组成。

然而，在核子内部，我们也能发现许多不断出现和消失的夸克-反夸克对。核子所有不同组成部分的动量和自旋分布尚未被揭示。

过去几十年来，一些物理学家一直在尝试设计新的实验，以期揭示核子的内部结构。其中一项实验就是所谓的“马拉松”（MARATHON，即氚和氦-3镜像核深非弹性散射中F₂ⁿ/F₂ᵖ、d/u比和A=3 EMC效应的测量）实验，该实验由杰斐逊实验室霍尔A氚合作组进行。

最近，参与这项实验的研究人员发表了迄今为止最精确的中子和质子结构函数比值（F₂ⁿ/F₂ᵖ）的测量结果，该比值本质上描述了核子内部夸克之间的动量份额。他们的论文发表在《物理评论快报》上，为检验现代量子色动力学（QCD）模型及其他理论预测开辟了新的可能性。

JLab MARATHON 实验发言人 Makis Petratos 表示：“这是 MARATHON 杰斐逊实验室实验项目的第二份出版物，该项目由肯特州立大学的 Mina Katramatou 和 Makis Petratos、杰斐逊实验室的 Javier Gomez 和阿贡国家实验室的 Roy Holt 发起。”

由于需要使用放射性氚气靶，该实验必须等待实验室能量升级至12 GeV，并经过漫长的安全审查程序。该实验于2011年获得全面批准，并于2018年开始采集数据——距离其启动已过去了近20年。

MARATHON实验的首要目标是测量单个质子和中子的非弹性结构函数比。这些函数包含有关核子上下夸克成分动量分布的重要信息。

“了解这些分布对于理解这两个核子在夸克和胶子方面的内部结构至关重要，”佩特拉托斯说。“胶子是自然界强力的载体。这部分的研究成果发表在《物理评论快报》上一篇被高引用的论文中。”

MARATHON实验还有另一个目标：测量氚和氦-3镜像核中所谓的EMC效应。EMC效应是1983年发现的一种现象，以发现该效应的欧洲核子研究中心（CERN）研究团队欧洲μ子合作组的名字命名。

佩特拉托斯说：“这种效应表明，原子核的非弹性结构函数并不（像最初天真地预期的那样）等于其核子成分的非弹性结构函数之和。”

自由核子嵌入原子核后发生这种明显‘改变’的原因尚未得到解决。理论学家们曾认为，测量氚和氦-3镜像核的这种效应对于解释这一现象至关重要。

实验中使用的靶材由杰斐逊实验室靶材小组（JLAB Target Group）的一个团队研发，该团队由杰斐逊实验室的科学家兼合作项目联合发言人戴夫·米金斯（Dave Meekins）领导。这是三十多年来首次使用此类靶材。

“戴夫·米金斯指出，‘开发和实施氚靶是迄今为止这项实验面临的最大挑战。氚是一种放射性气体，确保设计安全有效至关重要。’”佩特拉托斯说。

作为 MARATHON 实验的一部分，研究人员利用 JLab 加速器产生的 11 GeV 束流轰击气态氚、氦-3 和氘靶。这使得他们能够测量和量化这三个原子核的非弹性电子散射。

佩特拉托斯解释说：“实验室 A 厅设施中的两台最先进的质谱仪探测到了散射电子，这两台质谱仪由强大的大容量超导磁体和现代辐射探测设备组成。”

最显著的成就是获得了氚和氦-3非弹性结构函数的高质量数据。氚和氦-3被称为镜像核，因为一个原子核中的质子数等于另一个原子核中的中子数，从而呈现出镜像效应。这些测量对于我们理解自然界三核子系统的内部结构和动力学，以及其中核子-核子相互作用的性质至关重要。

值得注意的是，杰斐逊实验室霍尔A氚合作组对氚电磁兼容性效应的测量尚属首次，未来很可能不会再进行此类测量。此次测量及其收集到的其他数据，可能对核物理和粒子物理的研究产生重大影响，因为它有助于改进现有的核子结构模型并验证理论预测。

佩特拉托斯补充道：“对核 EMC 效应和核‘少体’（少核子）系统结构的理解仍然是当今现代高能核物理学最重要的问题之一。”

“预计杰斐逊实验室未来将开展更多的实验研究，并促进推动基础亚原子物理学发展的新理论思想。”

来源：耿直的云哥哥