Nikt tak naprawdę nie wie, co dzieje się w atomie. Ale dwie konkurujące ze sobą grupy naukowców uważają, że to odkryli. Obaj ścigają się, aby udowodnić, że ich wizja jest poprawna.
Oto, co wiemy na pewno: elektrony wirują wokół „orbitali” w zewnętrznej powłoce atomu. Potem jest dużo pustej przestrzeni. A potem, w samym środku tej przestrzeni, znajduje się maleńkie jądro - gęsty węzeł protonów i neutronów, które dają atomowi większość jego masy. Te protony i neutrony skupiają się razem, powiązane tak zwaną silną siłą. Liczba tych protonów i neutronów określa, czy atom jest żelazem, tlenem lub ksenonem i czy jest radioaktywny czy stabilny.
Jednak nikt nie wie, jak te protony i neutrony (zwane razem nukleonami) zachowują się wewnątrz atomu. Poza atomem protony i neutrony mają określone rozmiary i kształty. Każda z nich składa się z trzech mniejszych cząstek zwanych kwarkami, a interakcje między tymi kwarkami są tak intensywne, że żadna siła zewnętrzna nie jest w stanie ich zdeformować, nawet potężne siły między cząsteczkami w jądrze. Ale przez dziesięciolecia badacze wiedzieli, że teoria jest w pewien sposób błędna. Eksperymenty wykazały, że wewnątrz jądra protony i neutrony wydają się znacznie większe niż powinny. Fizycy opracowali dwie konkurujące ze sobą teorie, które próbują wyjaśnić to dziwne niedopasowanie, a zwolennicy każdej z nich są całkiem pewni, że druga jest niepoprawna. Oba obozy zgadzają się jednak, że niezależnie od prawidłowej odpowiedzi, musi ona pochodzić z pola poza ich własnym zasięgiem.
Od co najmniej lat 40. XX wieku fizycy wiedzą, że nukleony poruszają się po ciasnych małych orbitach w jądrze, powiedział Live Science Gerald Miller, fizyk jądrowy z University of Washington. Nukleony ograniczone w swoich ruchach mają bardzo mało energii. Nie odbijają się zbytnio, ograniczeni silną siłą.
W 1983 r. Fizycy z Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) zauważyli coś dziwnego: wiązki elektronów odbijają się od żelaza w sposób, który bardzo różni się od tego, jak odbijają wolne protony, powiedział Miller. To było niespodziewane; gdyby protony wewnątrz wodoru były tego samego rozmiaru co protony wewnątrz żelaza, elektrony powinny odbiłyby się w ten sam sposób.
Początkowo badacze nie wiedzieli, na co patrzą.
Ale z czasem naukowcy doszli do wniosku, że to problem wielkości. Z jakiegoś powodu protony i neutrony wewnątrz ciężkich jąder działają tak, jakby były znacznie większe niż wtedy, gdy znajdują się poza jądrami. Naukowcy nazywają to zjawisko efektem EMC po Europejskiej współpracy mionów - grupie, która przypadkowo go odkryła. Narusza to istniejące teorie fizyki jądrowej.
Albo Hen, fizyk jądrowy w MIT, ma pomysł, który może potencjalnie wyjaśnić, co się dzieje.
Podczas gdy kwarki, cząsteczki subatomowe, które tworzą nukleony, silnie oddziałują w obrębie danego protonu lub neutronu, kwarki w różnych protonach i neutronach nie mogą zbyt wiele ze sobą oddziaływać, powiedział. Silna siła wewnątrz nukleonu jest tak silna, że przyćmiewa siłę trzymającą nukleony do innych nukleonów.
„Wyobraź sobie, że siedzisz w swoim pokoju i rozmawiasz z dwoma znajomymi przy zamkniętych oknach” - powiedział Hen.
Trio w pokoju to trzy kwarki wewnątrz neutronu lub protonu.
„Na zewnątrz wieje lekki powiew” - powiedział.
Ta lekka bryza to siła utrzymująca proton lub neutron w pobliskich nukleonach znajdujących się „za” oknem. Hen powiedział, że nawet jeśli trochę się wślizgnie przez zamknięte okno, prawie na ciebie to nie wpłynie.
I tak długo, jak nukleony pozostają na swoich orbitach, tak jest. Powiedział jednak, że ostatnie eksperymenty wykazały, że w dowolnym momencie około 20% nukleonów w jądrze znajduje się poza ich orbitami. Zamiast tego są sparowane z innymi nukleonami, oddziałując w „korelacjach bliskiego zasięgu”. Powiedział, że w tych okolicznościach interakcje między nukleonami mają znacznie wyższą energię niż zwykle. Jest tak, ponieważ kwarki przebijają się przez ściany ich poszczególnych nukleonów i zaczynają bezpośrednio oddziaływać, a te interakcje kwark-kwark są znacznie silniejsze niż interakcje nukleon-nukleon.
Te interakcje niszczą ściany oddzielające kwarki wewnątrz pojedynczych protonów lub neutronów, powiedział Hen. Kwarki tworzące jeden proton i kwarki tworzące kolejny proton zaczynają zajmować to samo miejsce. To powoduje, że protony (lub neutrony, zależnie od przypadku) rozciągają się i rozmazują, powiedział Hen. Rosną dużo, choć przez bardzo krótki czas. To wypacza średni rozmiar całej kohorty w jądrze - wytwarzając efekt EMC.
Hen powiedział, że większość fizyków akceptuje tę interpretację efektu EMC. Miller, który współpracował z Henem przy niektórych kluczowych badaniach, zgodził się.
Ale nie wszyscy myślą, że grupa Hen ma problem. Ian Cloët, fizyk jądrowy z Argonne National Laboratory w Illinois, powiedział, że jego zdaniem praca Hen wyciąga wnioski, których dane nie w pełni popierają.
„Myślę, że efekt EMC jest nadal nierozwiązany” - powiedział Cloët Live Science. Wynika to z faktu, że podstawowy model fizyki jądrowej stanowi już wiele par krótkiego zasięgu, które opisuje Hen. Jednak „jeśli użyjesz tego modelu, aby spojrzeć na efekt EMC, nie opisasz efektu EMC. Nie ma udanego wyjaśnienia efektu EMC za pomocą tego frameworku. Więc moim zdaniem wciąż pozostaje tajemnica”.
Kura i jego współpracownicy wykonują prace eksperymentalne, które są „dzielne” i „bardzo dobre w nauce” - powiedział. Ale to nie rozwiązuje w pełni problemu jądra atomowego.
„Oczywiste jest, że tradycyjny model fizyki jądrowej… nie może wyjaśnić tego efektu EMC” - powiedział. „Uważamy teraz, że wyjaśnienie musi pochodzić z samego QCD”.
QCD oznacza chromodynamikę kwantową - system reguł rządzących zachowaniem kwarków. Przejście z fizyki jądrowej na QCD przypomina trochę dwukrotne obejrzenie tego samego obrazu: raz na klapce pierwszej generacji - to fizyka jądrowa - a potem na telewizorze o wysokiej rozdzielczości - to chromodynamika kwantowa. Telewizor o wysokiej rozdzielczości oferuje znacznie więcej szczegółów, ale jest o wiele bardziej skomplikowany w budowie.
Problem polega na tym, że pełne równania QCD opisujące wszystkie kwarki w jądrze są zbyt trudne do rozwiązania, powiedział Cloët i Hen. Cloët oszacował, że współczesne superkomputery znajdują się w odległości około 100 lat od szybkości wystarczającej do wykonania zadania. I nawet jeśli superkomputery były dzisiaj wystarczająco szybkie, równania nie posunęły się do tego stopnia, że można je podłączyć do komputera, powiedział.
Mimo to powiedział, że można współpracować z QCD, aby odpowiedzieć na niektóre pytania. I w tej chwili, powiedział, odpowiedzi te oferują inne wyjaśnienie efektu EMC: teorię pola średniego atomu.
Nie zgadza się, że 20% nukleonów w jądrze jest związanych w korelacjach bliskiego zasięgu. Eksperymenty po prostu tego nie dowodzą, powiedział. Z pomysłem są teoretyczne problemy.
To sugeruje, że potrzebujemy innego modelu, powiedział.
„Obraz, który mam, jest taki, że wiemy, że w jądrze znajdują się te bardzo silne siły jądrowe” - powiedział Cloët. Są to „trochę jak pola elektromagnetyczne, tyle że są to silne pola siłowe”.
Pola działają w tak niewielkich odległościach, że poza jądrem mają znikomą wielkość, ale są w nim potężne.
W modelu Cloëta pola sił, które nazywa „polami średnimi” (dla połączonej siły, którą niosą) faktycznie deformują wewnętrzną strukturę protonów, neutronów i pionów (rodzaj silnej cząstki przenoszącej siłę).
„Podobnie jak jeśli weźmiesz atom i umieścisz go w silnym polu magnetycznym, zmienisz wewnętrzną strukturę tego atomu” - powiedział Cloët.
Innymi słowy, teoretycy pola średniego sądzą, że w zamkniętym pokoju Hen opisanym ma dziury w ścianach, a wiatr wieje, by przewrócić kwarki, rozciągając je.
Cloët przyznał, że możliwe korelacje bliskiego zasięgu prawdopodobnie wyjaśniają pewną część efektu EMC, a Hen powiedział, że średnie pola prawdopodobnie również odgrywają pewną rolę.
„Pytanie, które dominuje,” powiedział Cloët.
Miller, który również intensywnie współpracował z Cloëtem, powiedział, że pole średnie ma tę zaletę, że ma większe podstawy teoretyczne. Ale Cloët nie dokonał jeszcze wszystkich niezbędnych obliczeń, powiedział.
A teraz ciężar dowodów eksperymentalnych sugeruje, że Hen ma lepszy argument.
Hen i Cloët stwierdzili, że wyniki eksperymentów w ciągu najbliższych kilku lat mogą rozwiązać problem. Hen zacytował eksperyment prowadzony w Jefferson National Accelerator Facility w Wirginii, który przybliża nukleony bliżej siebie, krok po kroku, i pozwoli badaczom obserwować ich zmianę. Cloët powiedział, że chce zobaczyć „eksperyment spolaryzowany EMC”, który zniszczyłby efekt na podstawie spinu (cechy kwantowej) zaangażowanych protonów. Powiedział, że może ujawnić niewidoczne szczegóły działania, które mogą pomóc w obliczeniach.
Wszyscy trzej badacze podkreślili, że debata jest przyjazna.
„Jest świetny, ponieważ oznacza, że wciąż robimy postępy” - powiedział Miller. „W końcu coś znajdzie się w podręczniku, a gra w piłkę dobiegła końca… Fakt, że istnieją dwa konkurujące ze sobą pomysły, oznacza, że jest ekscytujący i pełen życia. A teraz w końcu mamy eksperymentalne narzędzia do rozwiązania tych problemów”.
