原子核由什么构成？当然是由质子和中子，老师就是这么教的，难道不对吗？最近几个月来，越来越多的人认识到，我们关于原子核内含的基本假设可能需要修正。原子核可能含有广延范围比一个质子或中子大的密集体。它们还可能包含着“夸克 - 胶子 - 等离子体”的小区城，这是一种被认为在宇宙历史的最初几分之一秒内占主导的物质形式。
此项研究始于1979年的CERN。来自德、法、意、英和CERN的物理学家在“欧洲μ子协作”（EMC）的名义下已经合作了数年。他们利用高能μ子（与电子极相似，只是质量大206倍的粒子）研究核子（质子和中子）构造。
核子和许多别的粒子一样，似乎也是由更小的客体——夸克构成。三个夸克被强作用力束缚在独立的核子内，这种力由夸克之间交换的“胶子”所携带。已经进行了大量寻找独立存在的夸克的实验，但均未成功。似乎强作用力把夸克禁闭在它们所形成的宽度约10-15米的粒子之中。
μ子（和电子）不是由夸克构成的，奋不受强作用力的作用。而且就我们目前所知，它们是无结构的，行为像一个直径小于10-16米的实点。因此它们提供一种探测核子的较复杂结构的有用工具。
EMC小组一直采用高能μ子研究氢和氘靶中核子的夸克和胶子内含。他们通过测定入射和散射粒子的能量和动量，以及散射角，能够建立起夸克和胶子如何分摊子内部动量的图画，因为它们被强作用力禁闭在质子中运行。
EMC小组还用铁靶进行了测量。由于铁靶的每个原子核含有56个核子，碰撞机会高得多，数据收集也快得多。但是物理学家们刚一分析这些数据并与氘核测量数据进行比较，就发现了令人惊奇的现象。
当时的假设认为，强作用力非常紧地把夸克束缚在单个质子（或中子）之中，使得像铁这样的大原子核中的每个核子内的夸克几乎感觉不到周围的核子及其夸克。换言之，大原子核的行为就像一团质子和中子，夸克（和胶子）应像在单核子中一样地散射入射的μ子。
EMC小组将铁的结果与氘（仅含一个质子和一个中子）的结果比较时，得到的不是吻合，而是出乎意料的现象：铁核中似乎比氘核中含有更多的低动量夸克（较少的高动量夸克）。研究人员最初的反应是对此结论表示怀疑，并一再检验他们的分析。去年，他们终于发表了他们的发现，完全确信这种“EMC效应”是真实的（见Physics Letters，123B卷，276页）。
幸运的是，当时已经有了一种现成的完全独立的方法检验这一结果。十年前在斯坦福直线加速器实验室（SLAC）曾进行过使用高能电子（而不是μ子）探测液氢和液氘靶中核子的实验。这两种液体盛在容器内，器壁的原子核也和液体同样有效地散射电子。
在SLAC工作的阿里 · 鲍迪克（Arie Bodek）及其同事们得知EMC的结果后，认识到他们拥有得自钢靶（盛液氢和液氘的空容器）的数据。在找到—台仍能读进旧数据带的计算机之后，这组物理学家重新分析了“空靶”数据，并将铁（钢）的结果与氘的结果进行了比较。“EMC效应”确实存在，铁中夸克的动量一般比氘中夸克低（见Review Letters，50卷，1431页）。这一效应出现于不同的仪器，不同的探测粒子和不同的能量。
1983年初，恰当EMC效应开始受到普遍注意时，SLAC的一个研究电子散射的实验在氢靶上开了一个窗口。这真可以说是走运，因为该研究小组能够很容易地更换一系列不同材料的靶，研究一定范围原子核的EMC效应。他们已提交给Physical Review Letters的结果表明，此效应随原子核质量即所含核子数增加而增强。
实验结果就是这些，那么理论家们对于EMC效应的见解如何？首先应提到的是麻省理工学院的罗伯特 · 杰菲（Robert Jaffe）。他提出，如果夸克是较长程的，或者说可以运动到强作用力禁闭作用所限定的原子核尺寸的正常极限之外，它们就能够具有较低的动量（Physical Review Letters，50卷，228页），杰菲具体地考虑了铁之类的原子核包含着六个夸克（而不是形成核子的三个夸克）组成的小“口袋”的可能性，这好像是把夸克想象成可以由一个核子移动到邻近的核子。
牛津大学的克利斯 · 莱维林 · 史密斯（Chris Llewellyn Smith）和CERN的M. 埃利克逊（Ericson）与A. W. 托马斯（Thomas）较详细地考虑了杰菲提出的另一种可能性（Physics Letters，128B卷，107页和112页）。其基本思想是：夸克的动量可能被原子核中形成的额外π介子所“窃取”。
然而，目前关于夸克可以逸离原子核中核子的思想已有了进一步的理论支持。卢瑟福 - 阿普莱顿实验室的弗兰克 · 克劳斯（Frark Close）和迪克 · 罗伯茨（Dick Roberta）以及牛津大学的格雷安 · 罗斯（Graham Ross）提出，他们能够用一种简单的“技巧”使铁和氘的数据吻合。
EMC实验测量的是入射μ子传递给靶核子的动量。克劳斯，罗伯茨和罗斯表明，如果铁数据“重新定标”到动量传递的一半，铁和氘的结果就会吻合（Physics Letters，129B卷，349页）
其含义何在？这意味着铁核好像自动地表现为被更高能量的粒子所探测。但是我们知道能量越高我们看得越详细。所以，铁核好像自动向我们显示一幅更清晰的夸克和胶子图画。这就把我们带回到杰菲的假设：夸克可以自由漫游较大的范围。克劳斯，罗伯茨和罗斯确实发现，利用量子色动力学（强作用力的公认理论）求得的必要的重新定标相当于铁中的核子平均比氘中的核子大百分之十五。
最近克劳斯，罗伯茨和罗斯与杰菲合作研究了EMC效应随核子数即原子核质量的变化（Physics Letters，134B卷，449页）、他们的结果与SLAC的新数据符合得非常好，尽管有些分歧尚待进一步研究。EMC计划研究μ子从各种不同靶的散射，探索仅有小动量传递的碰撞。
就最现实的意义上讲，EMC效应意味着原子核物理学家也许应当更多地考虑夸克和胶子在原子核中的作用。但是理论分析的最惊人的含义在于：在普通原子核中夸克可能在某种意义上“解脱禁闭”。在考虑某些较不寻常的物质状态时，例如中子星中的核子密集状态和夸克 - 胶子“等离子体”的形成，这可能被证明是重要的。
[New Scientist，1984年3月]