高能轻子非弹性散射实验——EMC 效应

传统的原子核的质子-中子模型在描述低能核现象时都十分成功，这表明，要发现核内的夸克效应或其它非核子自由度应该到高能核现象中去寻找。此外，根据标准模型预言，原子核是由若干核子、介子组合的集合系统，而核子、介子又都是通过胶子相互作用的夸克系统，核子在核内不停地运动，又会由于核子间的重叠形成夸克集团，这样一来，核内核子的性质，如大小、质量等，一定与自由核子不同，例如会稍微膨胀而变“胖” 和有效质量变小等。此外，禁闭在核内核子中的夸克密度分布也会与自由核子的不同。这些都是由于夸克自由度带来的影响，称之为夸克效应。

寻求核内夸克效应的最直接和有效的方法就是用“探针”探测。这种“探针”就是能量极高的入射粒子。入射粒子的能量越高，它的德市洛意波长越短，分辨核内微小尺度的能力越强。此外，最好采用电子和μ子等非强子作探针，以避免强相互作用干扰，因为至今对强相互作用的了解不如电磁相互作用那样清楚。对于实验的结果，有人预计，当用能量高达几

个京电子伏的高能轻子打入核内时，它们与核内夸克相互作用而散射，通过对散射粒子的能量、动量和散射角分布的测量，探知核内夸克的动量分布，即核子的结构函数。而另一些人则认为，原子核只是一个质子-中子构成的弱束缚体系，对于高达几个京电子伏的高能过程，这种弱的束缚不会起什么作用，核的“环境”影响不能显示出来，在自由核子靶上以及在原子核内核子靶上，测量这种结构常数不会显示什么差异。然而实验的结果， 却大大出乎后一些人的预料。

1982 年，在欧洲粒子物理研究中心，由来自 17 个国家和地区的 89 位高能物理学家，组成了欧洲μ子实验合作组（EMC 组），进行了带电轻子深度非弹性散射实验。他们使用的高能轻子为电子、μ子和中微子，轻子与核子间传递的能量高达几个到几十个 GeV，这一实验结果发表在《物理通讯》杂志上①。实验得到了铁原子核结构函数与氘核结构函数的比值， 发现这一比值是夸克动量与核子平均动量比值 x 的函数，当 x 在一定的范围（布约肯区）内时，这个比值为 0.05～0.8，且呈一定规律随 x 变化。这个结果很重要，因为如果认为核内的核子仍保持自由核子的性质，这个比值应为 1，比值偏离 1 的实验结果表明，原子核内的核子包含了较多的低能夸克。尽管核子在核内的束缚很弱，周围核物质的存在依然明显地影响到束缚在核内夸克的动量分布。面对这一实验事实，人们不得不改变原来的看法，这一结果由此得名为“EMC 效应”。随后，EMC 效应陆续被美国斯坦福直线加速器、德国的电子同步加速器及世界上其它几个大加速器的实验证实。

EMC 效应的发现引起了世界性的轰动，这不是偶然的。它像科学史上许多其它重要发现一样，不是“先验的理论”，而是实验事实强迫人们去接受一种新的观念，这就是原子核内核子的亚结构与一般自由核子的亚结构有明显的不同。这里值得提起一个反面的例子，如果人们不是被一些“先验的理论”所束缚，本该更提早十几年发现 EMC 效应。在 70 年代初，在斯坦福直线加速器实验室(SLAC)就有一个用高能电子测量核子结构函数的研究组。他们以液氢与液氘为靶，得到了核中质子和中子的结构函数。因为用来盛液氢、液氘的容器是钢和铝的，为消除本底的影响，他们又进行了容器的空靶测量，这样就掌握了钢和铝靶的结构函数，却不曾想到与自由核子的结果相比较。EMC 效应的结果发表以后，他们把十几年前依然保存完好的数据重新计算分析，他们自己戏称这是“做了一次‘考古学’的研究”。其结果确实充满戏剧性，两次研究一前一后时隔十几年，对不同的探测粒子、不同能区做了测量，竟然得出完全一致的结果。这一事实不仅再一次令人信服地证实了 EMC 效应的存在，还使人们冷静地看到，SLAC 小组先于十几年得到实验的全部数据，却未能成为 EMC 效应的发现人，这不能不说明，对于那些已被广泛接受却未经实验事实证实的“先验理论”， 确有必要重新检验。1988 年，EMC 组又在极小的布约肯区(0.003≤x≤0.2) 对不同的核(¹²C、⁴⁶Ca、⁷³Cu、⁵⁶Fe、¹¹⁹Sn)进行了测量。结果发现，在 0

≤x＜0.1 时，结构函数比值小于 1，有明显的遮蔽现象；而在 0.1≤x≤0.2

时，结构函数比值大于或等于 1，有较弱的反遮蔽现象，而且遮蔽现象随不同的核而不同①。伯格(E.L.Berger)等人对这一现象做出了解释②。他们先从传统的核子-介子模型出发，同时考虑了核子的费密运动修正，认为遮蔽现象来源于核子造成的“影子”，即入射粒子“看不到”处于“影子”

中的核子。根据这一解释，遮蔽现象本应该随着入射高能轻子转移给靶核动量的增大而迅速地减小，以至消失，然而实验现象却与这种估计相反。这表明，EMC 效应使传统的核子-介子模型出现了困难，原子核并非简单的核子的集合，即使引入了核子运动的费密修正，核内的夸克分布也与自由核子不同，这就迫使人们不得不考虑夸克自由度的问题。

根据量子色动力学，夸克的相互作用性质与核力、电磁力及引力性质完全相反。在强子内，夸克间距离很小时，它们几乎相互没有作用，行为像无相互作用的自由粒子，然而随着夸克间距离的加大，禁闭势垒急剧增高，夸克像是被禁闭在强子的内部。EMC 效应的发现使人们想到，禁闭在核“环境”中核子内的夸克自由度可能比自由核子内的夸克自由度大，在核“环境”中，核子内的夸克将有可能以某种几率跑到核子之外，甚至从一个束缚核子中“渗透”出来，再进入另一个束缚核子之中，两个相互靠得较近的核子会以一定的几率彼此“融合”，使核子自身膨胀起来，核子会因这种膨胀而变“胖”，随之有效质量减小。核内核物质密度越大，核子重叠机会越多，夸克禁闭长度增加就越大，这一效应就越明显。对 EMC 效应的这一解释先后由卡尔森(E.E. Carlson)①及克洛斯(F.E. Close)② 等人给出，他们的解释与 1988 年 EMC 协作组的实验结果取得了大部分的一致。

事实证明，夸克自由度的研究还是很初步的，与问题的最后的圆满解决仍有相当大的距离。随着研究的深入，问题也不断地接踵而来。1990 年下半年，斯坦福直线加速器研究中心又公布了有关 EMC 效应的新实验结果

①，他们用 800GeV 的高能质子轰击不同的靶核所产生的双μ子实验，测定了靶核内海夸克密度分布变化。结果表明，在布约肯变量范围 0.1＜x＜0.3 时，海夸克密度大致没有变化，这与 EMC 效应的各种模型理论的预言都不一致。即使如此，EMC 效应的意义仍是不言而喻的，它一方面使人们认识到，必须从夸克层次对核的组分与结构进行重新的认识；另一方面，从核的夸克禁闭性质变化讨论禁闭的根源又为粒子物理的研究展开了一个新的天地。它使人们确信，高能核物理以及高能重离子核物理②的实验与理论研究一定能为核中夸克效应的研究提供更为丰富的内容，夸克、胶子自由度的核效应以及夸克、胶子自由度与核子、介子自由度的关联终将会被揭示出来。