Oto tajemnicza prawda, którą naukowcy znają od 1983 roku: protony i neutrony działają inaczej, gdy znajdują się w atomie, w porównaniu do swobodnego przemieszczania się w przestrzeni. W szczególności cząsteczki subatomowe, które tworzą te protony i neutrony, zwane kwarkami, gwałtownie zwalniają, gdy zostaną zamknięte w jądrze atomu.
Fizycy naprawdę tego nie lubili, ponieważ neutrony są neutronami, niezależnie od tego, czy znajdują się w atomie, czy nie. A protony są protonami. Zarówno protony, jak i neutrony (które razem tworzą klasę cząstek zwanych „nukleonami”) składają się z trzech mniejszych cząstek, zwanych kwarkami, połączonych ze sobą silną siłą.
„Gdy umieszczasz kwarki w jądrze, zaczynają się one poruszać wolniej, a to jest bardzo dziwne” - powiedział współautor badań Or Hen, fizyk z Massachusetts Institute of Technology. To dziwne, ponieważ potężne interakcje między kwarkami determinują głównie ich prędkość, podczas gdy siły wiążące jądro (a także działające na kwarki wewnątrz jądra) powinny być bardzo słabe, dodał Hen.
I nie ma innej znanej siły, która powinna tak intensywnie modyfikować zachowanie kwarków w jądrze. Jednak efekt pozostaje: fizycy cząstek nazywają go efektem EMC, nazwanym od European Muon Collaboration, grupy, która go odkryła. Do niedawna naukowcy nie byli pewni, co to spowodowało.
Dwie cząstki w jądrze są zwykle przyciągane razem przez siłę około 8 milionów elektronowoltów (8 MeV), co jest miarą energii w cząsteczkach. Kwarki w protonie lub neutronie są związane razem przez około 1000 MeV. Nie ma więc sensu, aby stosunkowo łagodne interakcje jądra radykalnie wpływały na potężne interakcje wewnątrz kwarków, powiedział Hen Live Live.
„Co to jest osiem obok 1000?” powiedział.
Ale efekt EMC nie wygląda jak łagodny szturchnięcie zewnętrznej siły. Chociaż różni się w zależności od jądra: „To nie jest jak pół procenta. Efekt wyskakuje z danych, gdy jesteś wystarczająco kreatywny, aby zaprojektować eksperyment, aby go poszukać” - powiedział Hen.
W zależności od zaangażowanego jądra, pozorna wielkość nukleonów (która jest funkcją ich prędkości) może zmieniać się o 10 do 20 procent. Na przykład w złotym jądrze protony i neutrony są o 20 procent mniejsze niż są, gdy swobodnie się unoszą.
Hen powiedział, że teoretycy wymyślili wiele różnych modeli, aby wyjaśnić, co się tutaj dzieje.
„Mój przyjaciel żartował, że EMC oznacza„ Everybody's Model is Cool ”, ponieważ każdy model wydaje się, że można to wyjaśnić” - powiedział.
Ale z czasem fizycy przeprowadzili więcej eksperymentów, testując różne modele i jeden po drugim odpadali.
„Nikt nie był w stanie wyjaśnić wszystkich danych, a my zostaliśmy z wielką łamigłówką. Mamy teraz dużo danych, pomiary tego, jak kwarki poruszają się wewnątrz różnych rodzajów jąder, i nie mogliśmy wyjaśnić, co się dzieje ," powiedział.
Zamiast próbować wyjaśnić całą zagadkę naraz, Hen i jego koledzy postanowili przyjrzeć się tylko jednemu specjalnemu przypadkowi interakcji neutronów i protonów.
W większości przypadków protony i neutrony w jądrze nie nakładają się na siebie, respektując wzajemnie swoje granice - mimo że tak naprawdę to tylko układy związanych kwarków. Ale czasami nukleony łączą się ze sobą w obrębie istniejącego jądra i zaczynają na krótko, fizycznie nakładać się na siebie, stając się tym, co naukowcy nazywają „skorelowanymi parami”. W dowolnym momencie około 20 procent nukleonów w jądrze nakłada się w ten sposób.
Kiedy tak się dzieje, ogromne ilości energii przepływają między kwarkami, zasadniczo zmieniając ich związaną strukturę i zachowanie - zjawisko wywołane silną siłą. W artykule opublikowanym 20 lutego w czasopiśmie Nature naukowcy argumentowali, że ten przepływ energii dokładnie tłumaczy efekt EMC.
Zespół zbombardował wiele różnych rodzajów jąder elektronami i stwierdził bezpośredni związek między tymi parami nukleonów a efektem EMC.
Ich dane zdecydowanie sugerują, powiedział Hen, że kwarki w większości nukleonów w ogóle się nie zmieniają, gdy wchodzą do jądra. Ale nieliczni zaangażowani w pary nukleonów zmieniają swoje zachowanie tak dramatycznie, że zniekształcają średnie wyniki w każdym eksperymencie. Tyle kwarków upakowanych w tak małej przestrzeni powoduje dramatyczne efekty silnej siły. Efekt EMC jest wynikiem jedynie niewielkiej liczby anomalii, a nie zmiany zachowania wszystkich protonów i neutronów.
Na podstawie danych zespół wyprowadził funkcję matematyczną, która dokładnie opisuje, jak zachowuje się efekt EMC od jednego jądra do drugiego.
„Dokonali prognozy, a ich prognozy zostały mniej więcej potwierdzone” - powiedział Gerald Feldman, fizyk z George Washington University, który napisał towarzyszący artykuł News & Views w tym samym numerze Nature, ale nie był zaangażowany w badania.
To mocny dowód, że ten efekt parowania jest prawdziwą odpowiedzią na tajemnicę EMC, powiedział Feldman Live Live.
Wydaje się, że po 35 latach fizycy cząstek rozwiązali ten problem za pomocą zbyt wielu złych rozwiązań. Hen powiedział, że on i jego koledzy mają już zaplanowane eksperymenty w celu głębszego zbadania problemu i ujawnienia nowych nieznanych prawd o zachowaniu sparowanych nukleonów wewnątrz atomów.
