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素粒子物理学において、深非弾性散乱とは、電子、ミューオン、ニュートリノを用いてハドロン（特に陽子や中性子などのバリオン）の内部を調査するプロセスに与えられた名称である。[ 1 ] [ 2 ]これは1960年代と1970年代に初めて試みられ、それまで多くの人々に純粋に数学的な現象と考えられていたクォークの実在を初めて説得力のある形で証明した。これはラザフォード散乱を散乱粒子のエネルギーをはるかに高く拡張し、それによって原子核の構成要素の分解能をはるかに高めたものである。
ヘンリー・ウェイ・ケンドール、 ジェローム・アイザック・フリードマン、リチャード・E・テイラーは、「陽子と束縛中性子による電子の深非弾性散乱に関する先駆的な研究で、素粒子物理学におけるクォークモデルの発展に不可欠な重要性を示した」として、1990年のノーベル賞を共同受賞した。[ 3 ]
用語の各部分を説明すると、「散乱」とは、レプトン（電子、ミューオンなど）がハドロンから偏向することを指します。偏向角を測定することで、プロセスの性質に関する情報が得られます。「非弾性」とは、ターゲットが運動エネルギーを吸収することを意味します。実際、使用されるレプトンの非常に高いエネルギーでは、ターゲットは「粉砕」され、多くの新しい粒子を放出します。これらの粒子はハドロンであり、非常に単純化して説明すると、このプロセスは、ターゲットを構成するクォークがターゲットハドロンから「叩き出される」と解釈され、クォーク閉じ込めのため、クォークは実際には観測されず、代わりにハドロン化によって観測可能な粒子が生成されます。「深部」とは、レプトンの高エネルギーを指し、これにより波長が非常に短くなり、ターゲットハドロンのサイズに比べて小さい距離をプローブできるため、ハドロンの「深部」をプローブすることができます。また、摂動近似では、隣接する図に示すように、レプトンから放出され、標的ハドロンに吸収された高エネルギー仮想光子が、その構成クォークの1つにエネルギーを伝達することに注意してください。
ポヴ氏とロジーナ氏は、「核子に対する深非弾性散乱」という用語は、核子のクォーク構造が不明だった時代に作られたものであると指摘し、「準弾性レプトン・クォーク散乱」という用語を好んで用いる。
物理学の標準模型、特に1960年代のマーレー・ゲルマンの研究は、それまでばらばらだった素粒子物理学の概念の多くを、比較的単純な一つの体系に統合することに成功した。本質的に、粒子には3つの種類があった。
レプトンは、JJトムソンが電流が電子の流れであることを示した1897年以来検出されていた。ボソンの一部は日常的に検出されていたが、電弱力のW + 、W-、Z0粒子が明確に観測されたのは1980年代初頭になってからであり、グルーオンがハンブルクのDESYで確固たる位置づけを得たのもほぼ同時期であった。しかし、クォークは依然として捉えどころのないものであった。
20世紀初頭のラザフォードの画期的な実験に基づき、クォークを検出するアイデアが考案された。ラザフォードは、金原子にアルファ粒子を照射することで、原子の中心に小さくて質量が大きく、電荷を帯びた原子核が存在することを証明した。ほとんどの粒子はほとんど、あるいは全く偏向せずに通過したが、ごく一部の粒子は大きな角度で偏向したり、そのまま戻ってきたりした。これは、原子が内部構造を持ち、多くの空隙があることを示唆していた。
バリオンの内部を調査するためには、小さく、透過力があり、容易に生成できる粒子を使用する必要がありました。電子は豊富に存在し、電荷のおかげで容易に高エネルギーまで加速できるため、この役割に理想的でした。1968年、スタンフォード線形加速器センター（SLAC）で、原子核内の陽子と中性子に電子が照射されました。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]後にミューオンとニュートリノを用いた 実験[ 2 ]が行われましたが、同じ原理が適用されます。[ 1 ] [ 7 ]
衝突によって運動エネルギーの一部が吸収されるため、非弾性散乱となる。これは、運動エネルギーの損失がない弾性散乱であるラザフォード散乱とは対照的である。電子は原子核から放出され、その軌道と速度が検出できる。結果の分析から、ハドロンには確かに内部構造があるという結論に至った。これらの実験は、クォークの物理的実在性を確認しただけでなく、素粒子物理学者が追求すべき研究の方向性として標準模型が正しいことを改めて証明したため、重要であった。