两个最先进的粒子探测器系统，杰斐逊实验室实验大厅A的高分辨率光谱仪，在马拉松实验中收集数据方面发挥了重要作用。图片来源：美国能源部杰斐逊实验室
科学家们正在举起质子和中子的"镜子"，以更多地了解构建我们可见宇宙的粒子。在美国能源部托马斯杰斐逊国家加速器设施进行的马拉松实验通过比较所谓的镜像核，氦-3和海卫一，获得了有关这些粒子结构的新细节。研究结果最近发表在《物理评论快报》上。
构成我们在宇宙中看到的大多数物质的基本粒子——夸克和胶子——深埋在质子和中子内部，质子和中子是构成原子核的核子。夸克和胶子的存在在半个世纪前在美国能源部斯坦福直线加速器中心（现称为SLAC国家加速器实验室）进行的诺贝尔奖获奖实验中首次得到证实。
这些史无前例的实验开创了深度非弹性散射的时代。这种实验方法使用在质子和中子内部深处行进的高能电子来探测那里的夸克和胶子。
"当我们说深度非弹性散射时，我们的意思是，光束中被电子轰击的原子核立即破裂，从而在用最先进的粒子检测系统捕获散射电子时揭示其内部的核子，"肯特州立大学教授Gerassimos（Makis）Petratos说， 他是MARATHON实验的发言人和联系人。
收集从这些碰撞中产生的电子的巨大粒子探测器系统测量它们的动量 - 包括电子的质量和速度在内的量。
自五十年前的第一次实验以来，世界各地的各种实验室都进行了深度非弹性散射实验。这些实验推动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，实验继续微调这一过程，以梳理出更详细的信息。
在最近完成的MARATHON实验中，核物理学家首次在两个镜像原子核中比较了深度非弹性散射实验的结果，以了解它们的结构。物理学家选择将重点放在氦-3和氚的原子核上，氚是氢的同位素。氦-3有两个质子和一个中子，而氚有两个中子和一个质子。如果你能通过将所有质子转化为中子，将氦-3"镜像"转化为质子，结果将是氚。这就是为什么它们被称为镜像核。
"我们使用现存最简单的镜核系统，氚和氦-3，这就是为什么这个系统如此有趣，"杰斐逊实验室工作人员科学家，马拉松实验的共同发言人David Meekins说。
"事实证明，如果我们测量这两个原子核中横截面的比例，我们可以访问质子相对于中子的结构函数。这两个量可能与原子核内上夸克和下夸克的分布有关，"Petratos说。
MARATHON实验于1999年在夏季研讨会上首次构思，最终于2018年在杰斐逊实验室的连续电子束加速器设施（DOE用户设施）中进行。马拉松实验合作的130多名成员克服了许多障碍，进行了实验。
例如，MARATHON需要由2017年完成的12 GeV CEBAF升级项目实现的高能电子，以及一个专门的氚目标系统。
"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。"这是实验室使命的一部分：没有什么比我们可以牺牲安全更重要的了。
该实验将10.59 GeV（十亿电子伏特）电子发送到实验大厅A的四个不同目标中。目标包括氦-3和三种氢同位素，包括氚。传出的电子被收集并用大厅的左右高分辨率光谱仪测量。
数据收集完成后，协作将仔细分析数据。最终的出版物包括原始数据，以允许其他组在自己的分析中使用无模型数据。它还提供了由Petratos领导的分析，该分析基于理论模型，修正最小。
"我们想澄清的是，这是我们所做的测量，这就是我们如何做的，这是从测量中科学提取的，这就是我们是如何做到的，"Meekins解释说。"我们不必担心偏袒任何模型而不是另一个模型 - 任何人都可以获取数据并应用它。
除了精确测定质子/中子结构函数比的比率外，这些数据还包括比以前更高的这些镜核的电子动量测量值。这个高质量的数据集还为回答核物理学中的其他问题的其他详细分析打开了一扇门，例如为什么夸克在原子核内的分布与自由质子和中子不同（这种现象称为EMC效应）以及对原子核中粒子结构的其他研究。
在讨论结果时，MARATHON发言人很快将最终结果归功于合作成员的辛勤工作。
"这个实验的成功归功于参与实验的杰出人群，以及我们从杰斐逊实验室得到的支持，"肯特州立大学教授、马拉松实验的联合发言人米娜·卡特拉马图（Mina Katramatou）说。"我们还有一群出色的年轻物理学家从事这项实验，包括早期职业博士后研究人员和研究生。
"有五名研究生从这些数据中获得了他们的论文研究，"Meekins证实。"这是很好的数据，我们做得很好，但很难做到。
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