Iată un adevăr misterios pe care oamenii de știință îl cunosc din 1983: protonii și neutronii acționează diferit atunci când se află în interiorul unui atom, față de plutirea liberă prin spațiu. Mai exact, particulele subatomice care alcătuiesc acei protoni și neutroni, numiți quark, încetinesc masiv odată ce sunt limitați la un nucleu dintr-un atom.
Fizicienilor nu le-a plăcut acest lucru, deoarece neutronii sunt neutroni, indiferent dacă sunt în interiorul unui atom sau nu. Iar protonii sunt protoni. Atât protonii cât și neutronii (care formează împreună clasa particulelor numite „nucleoni”) sunt formate din trei particule mai mici, numite quark, legate între ele prin forța puternică.
„Când puneți quark-uri într-un nucleu, acestea încep să se miște mai încet, iar acest lucru este foarte ciudat”, a declarat co-autorul studiului Or Hen, fizician la Massachusetts Institute of Technology. Acest lucru este ciudat, deoarece interacțiunile puternice dintre quark-uri determină în principal viteza lor, în timp ce forțele care leagă nucleul (și acționează și asupra quark-urilor din interiorul nucleului) se presupune a fi foarte slabe, a adăugat Hen.
Și nu există o altă forță cunoscută care ar trebui să modifice atât de intens comportamentul quarkurilor dintr-un nucleu. Cu toate acestea, efectul rămâne: fizicienii cu particule îl numesc efectul EMC, numit pentru European Muon Collaboration, grupul care l-a descoperit. Și până de curând, oamenii de știință nu erau siguri de ce l-a cauzat.
Două particule dintr-un nucleu sunt de obicei trase împreună de o forță de aproximativ 8 milioane de electroni volți (8 MeV), o măsură a energiei în particule. Quark-urile dintr-un proton sau neutron sunt legate împreună cu aproximativ 1000 MeV. Deci nu are sens că interacțiunile relativ ușoare ale nucleului au un impact dramatic asupra interacțiunilor puternice din quark, a spus Hen pentru Live Science.
"Ce este opt lângă 1.000?" el a spus.
Însă efectul EMC nu arată ca o apăsare ușoară dintr-o forță exterioară. Deși variază de la un fel de nucleu la altul, „Nu este ca jumătate la sută. Efectul apare din date odată ce sunteți suficient de creativi pentru a proiecta un experiment pentru a-l căuta”, a spus Hen.
În funcție de nucleul implicat, dimensiunea aparentă a nucleonilor (care este o funcție a vitezei lor) se poate schimba cu 10 până la 20 la sută. Într-un nucleu de aur, de exemplu, protonii și neutronii sunt cu 20% mai mici decât sunt atunci când plutesc liber.
Teoreticienii au venit cu multe modele diferite pentru a explica ce se întâmplă aici, a spus Hen.
"Un prieten de-al meu a glumit că EMC a reprezentat„ Everybody's Model is Cool ", deoarece fiecare model părea că poate explica acest lucru", a spus el.
Dar, de-a lungul timpului, fizicienii au făcut mai multe experimente, testând acele modele diferite și unul după altul au căzut.
"Nimeni nu a putut explica toate datele și am rămas cu un puzzle mare. Avem o mulțime de date acum, măsurători despre cum se mișcă quark-urile în toate tipurile de nuclee diferite și nu am putut explica ce se întâmplă ," el a spus.
În loc să încerce să explice tot puzzle-ul deodată, Hen și colegii săi au decis să privească doar un caz special de interacțiune cu neutroni și protoni.
În majoritatea circumstanțelor, protonii și neutronii dintr-un nucleu nu se suprapun între ei, respectând în schimb limitele celuilalt - chiar dacă sunt cu adevărat doar sisteme de quarkuri legate. Dar uneori, nucleonii se leagă în cadrul nucleului existent și încep să se suprapună pe scurt, fizic, unul cu celălalt, devenind ceea ce oamenii de știință numesc „perechi corelate”. În orice moment, aproximativ 20 la sută dintre nucleoni dintr-un nucleu se suprapun în acest fel.
Când se întâmplă acest lucru, cantități enorme de energie curg printre quark, schimbând fundamental structura și comportamentul lor legat - un fenomen cauzat de forța puternică. Într-o lucrare publicată pe 20 februarie în revista Nature, cercetătorii au susținut că acest flux de energie reprezintă exact efectul EMC.
Echipa a bombardat o mulțime de nuclee diferite cu electroni și a găsit o relație directă între aceste perechi de nucleoni și efectul EMC.
Datele lor sugerează cu tărie, a spus Hen, că quark-urile din majoritatea nucleonilor nu se schimbă deloc atunci când intră într-un nucleu. Dar cei puțini implicați în perechile de nucleoni își schimbă comportamentul atât de dramatic încât obțin rezultatele medii în orice experiment. Că multe quark-uri ambalate într-un spațiu atât de mic provoacă unele efecte puternice dramatice puternice. Efectul EMC este rezultatul unei minorități de anomalii, mai degrabă decât a unei schimbări a comportamentului tuturor protonilor și neutronilor.
Din date, echipa a derivat o funcție matematică care descrie cu exactitate cum se comportă efectul EMC de la un nucleu la altul.
„Au făcut o predicție, iar predicția lor a fost mai mult sau mai puțin confirmată”, a spus Gerald Feldman, fizician la Universitatea George Washington, care a scris un articol însoțitor pentru News & Views în același număr al Nature, dar nu a fost implicat în cercetare.
Aceasta este o dovadă puternică că acest efect de împerechere este răspunsul real la misterul EMC, a spus Feldman pentru Live Science.
După 35 de ani, fizicienii de particule par să fi rezolvat această problemă cu prea multe soluții deloc bune. Hen a spus că el și colegii săi au deja experimente de urmărire planificate pentru a examina problema și mai profund și să dezvăluie noi adevăruri necunoscute despre comportamentul nucleonilor împerecheți din interiorul atomilor.
