Nihče v resnici ne ve, kaj se dogaja znotraj atoma. Toda dve konkurenčni skupini znanstvenikov menita, da sta to ugotovila. In oba dirkata, da bi dokazala, da je njihova lastna vizija pravilna.
To je tisto, kar zagotovo vemo: elektroni, ki žvižgajo okoli "orbitale" v zunanji lupini atoma. Potem je cel kup praznega prostora. In potem, točno v središču tega prostora, je drobno jedro - gost vozel protonov in nevtronov, ki dajejo atomu večino svoje mase. Ti protoni in nevtroni se združujejo skupaj, ki jih veže tako imenovana močna sila. In število teh protonov in nevtronov določa, ali je atom železo ali kisik ali ksenon in ali je radioaktiven ali stabilen.
Kljub temu nihče ne ve, kako se tisti protoni in nevtroni (skupaj znani kot nukleoni) obnašajo znotraj atoma. Zunaj atoma imajo protoni in nevtroni določene velikosti in oblike. Vsak od njih je sestavljen iz treh manjših delcev, imenovanih kvarki, in medsebojni vplivi med njimi so tako intenzivni, da jih nobena zunanja sila ne bi mogla deformirati, niti močne sile med delci v jedru. Toda desetletja raziskovalci vedo, da je teorija na nek način napačna. Poskusi so pokazali, da so v jedru protoni in nevtroni veliko večji, kot bi morali biti. Fiziki so razvili dve konkurenčni teoriji, ki poskušata razložiti to čudno neusklajenost, zagovorniki vsake pa so povsem prepričani, da je drugo napačno. Oba tabora pa se strinjata, da ne glede na pravilen odgovor, mora prihajati s polja, ki presega njuno.
Že od 40. let prejšnjega stoletja so fiziki vedeli, da se nukleoni gibljejo v majhnih orbitalah znotraj jedra, je za Live Science povedal Gerald Miller, jedrski fizik z univerze v Washingtonu. Nukleoni, omejeni v svojih gibanjih, imajo zelo malo energije. Ne premetavajo se veliko, ki jih zadržuje močna sila.
Leta 1983 so fiziki Evropske organizacije za jedrske raziskave (CERN) opazili nekaj nenavadnega: Žare elektronov so odskakale železo na način, ki se je zelo razlikoval od načina, kako so odskakali od prostih protonov, je dejal Miller. To je bilo nepričakovano; če bi bili protoni znotraj vodika enake velikosti kot protoni znotraj železa, bi morali elektroni odskočiti na skoraj enak način.
Sprva raziskovalci niso vedeli, kaj gledajo.
Toda sčasoma so znanstveniki verjeli, da gre za velikost. Iz nekega razloga protoni in nevtroni znotraj težkih jeder delujejo, kot da so veliko večji, kot kadar so zunaj jeder. Raziskovalci temu pojavu pravijo učinek EMC, po evropskem muonskem sodelovanju - skupini, ki ga je slučajno odkrila. Krši obstoječe teorije jedrske fizike.
Ali pa Hen, jedrski fizik na MIT, ima idejo, ki bi potencialno lahko pojasnila, kaj se dogaja.
Medtem ko kvarki, subatomski delci, ki sestavljajo nukleone, močno medsebojno delujejo znotraj danega protona ali nevtrona, kvarki v različnih protonih in nevtronih ne morejo medsebojno vplivati, je dejal. Močna sila znotraj nukleona je tako močna, da zasenči močno silo, ki drži nukleone do drugih nukleonov.
"Predstavljajte si, da sedite v svoji sobi in se pogovarjate z dvema prijateljema z zaprtimi okni," je dejal Hen.
Trio v sobi so trije kvarki znotraj nevtrona ali protona.
"Zunaj piha rahel vetrič," je rekel.
Ta lahki vetrič je sila, ki drži protona ali nevtrona do bližnjih nukleonov, ki so "zunaj" okna. Če bi se malce prikradel skozi zaprto okno, je rekel Hen, bi komaj vplival nate.
In dokler nukleoni ostanejo v svojih orbitalah, je tako. Vendar pa je dejal, da so nedavni poskusi pokazali, da je v danem času približno 20% nukleonov v jedru v resnici zunaj njihovih orbitalov. Namesto tega so v paru z drugimi nukleoni, ki medsebojno delujejo v "korelacijah kratkega dosega." V teh okoliščinah so interakcije med nukleoni veliko bolj energijske kot običajno, je dejal. To je zato, ker kvarki pokukajo skozi stene svojih posameznih nukleonov in začnejo neposredno medsebojno vplivati, in te interakcije s kvarki-kvarki so veliko močnejše od interakcij nukleon-nukleon.
Te interakcije razgrajujejo stene, ki ločujejo kvarke znotraj posameznih protonov ali nevtronov, je dejal Hen. Kvarki, ki sestavljajo en proton, in kvarki, ki sestavljajo drug proton, začnejo zasedati isti prostor. Zaradi tega se protoni (ali nevtroni, odvisno od primera) raztezajo in zameglijo, je dejal Hen. Veliko rastejo, čeprav za zelo kratek čas. To pokaže povprečno velikost celotne kohorte v jedru - povzroči EMC učinek.
Večina fizikov zdaj sprejema to razlago učinka EMC, je dejal Hen. In Miller, ki je s Henom sodeloval pri nekaterih ključnih raziskavah, se je strinjal.
A vsi ne mislijo, da se je Henkova skupina težavo lotila. Ian Cloët, jedrski fizik iz Nacionalnega laboratorija Argonne v Illinoisu, je dejal, da misli, da Hen-ovo delo daje sklepe, da podatki ne podpirajo v celoti.
"Mislim, da je učinek EMC še vedno nerešen," je Cloët povedal Live Science. To je zato, ker osnovni model jedrske fizike že vključuje veliko paritev na kratkem dosegu, ki jih opisuje Hen. Pa vendar, "če uporabite ta model za preizkus učinka EMC, ne boste opisali učinka EMC. Učinkovitega razlage učinka EMC z uporabo tega okvira ni. Torej, po mojem mnenju je še vedno skrivnost."
Hen in njegovi sodelavci opravljajo eksperimentalno delo, ki je "odmevno" in "zelo dobra znanost," je dejal. Toda problem atomskega jedra ne rešuje v celoti.
"Jasno je, da tradicionalni model jedrske fizike ... tega učinka EMC ne more razložiti," je dejal. "Zdaj mislimo, da mora razlaga izhajati iz samega QCD."
QCD pomeni kvantno kromodinamiko - sistem pravil, ki urejajo obnašanje kvarkov. Prehod z jedrske fizike na QCD je nekoliko podoben temu, da dvakrat pogledamo isto sliko: enkrat na flip telefon prve generacije - to je jedrska fizika - in nato spet na televizorju visoke ločljivosti - to je kvantna kromodinamika. Televizor z visoko ločljivostjo ponuja veliko več podrobnosti, vendar je veliko bolj zapleten za gradnjo.
Težava je v tem, da sta celotna enačba QCD, ki opisujeta vse kvarke v jedru, pretežka za rešitev, Cloët in Hen. Sodobni superračunalniki so približno 100 let od tega, da niso dovolj hitri za nalogo, je ocenil Cloët. Tudi če so bili superračunalniki danes dovolj hitri, enačbe niso napredovale do točke, ko bi jih lahko priklopili v računalnik, je dejal.
Kljub temu je dejal, da je mogoče s QCD odgovoriti na nekatera vprašanja. In prav zdaj, je dejal, ti odgovori ponujajo drugačno razlago za učinek EMC: Teorija jedrskega srednjega polja.
Ne strinja se, da je 20% nukleonov v jedru vezano na kratkoročne korelacije. Poizkusi preprosto ne dokazujejo tega, je dejal. In obstajajo teoretične težave z idejo.
To kaže, da potrebujemo drugačen model, je dejal.
"Slika, ki jo imam, vemo, da so znotraj jedra te zelo močne jedrske sile," je dejal Cloët. To so "nekoliko podobna elektromagnetnim poljem, le da so močna sila."
Polja delujejo na tako majhnih razdaljah, da so zunaj jedra zanemarljive velikosti, v notranjosti pa so močna.
V Cloëtovem modelu ta silna polja, ki jih imenuje "srednja polja" (za kombinirano moč, ki jih nosijo), dejansko deformirajo notranjo strukturo protonov, nevtronov in pionov (vrsta močnega delca, ki prenaša silo).
"Tako kot če vzamete atom in ga vstavite v močno magnetno polje, boste spremenili tudi notranjo strukturo tega atoma," je dejal Cloët.
Z drugimi besedami, teoretiki zlobnega polja mislijo, da ima zaprta soba, ki jo je opisal Hen, v svojih stenah luknje, in veter piha, da bi podrl kvarke naokoli in jih raztegnil.
Cloët je priznal, da so možne korelacije kratkega dosega, ki verjetno pojasnijo del učinka EMC, in Hen je dejal, da tudi srednja polja verjetno igrajo vlogo.
"Vprašanje je, kaj dominira," je dejal Cloët.
Miller, ki je veliko sodeloval tudi s Cloëtom, je dejal, da ima prednost srednje veliko polje v teoriji. Toda Cloët še ni opravil vseh potrebnih izračunov, je dejal.
In ravno teža eksperimentalnih dokazov kaže na to, da ima Hen boljši argument.
Hen in Cloët sta dejala, da bodo rezultati poskusov v naslednjih nekaj letih lahko rešili vprašanje. Hen je navedel poskus, ki je potekal v Nacionalnem zavodu za pospeševanje pri Jeffersonu v Virginiji, ki bo nukleone približeval drug drugemu, nekoliko za drugim in raziskovalcem omogočil, da jih opazujejo, kako se spreminjajo. Cloët je dejal, da želi videti "polarizirani eksperiment EMC", ki bi razbil učinek na podlagi spina (kvantne lastnosti) vpletenih protonov. Lahko bi razkril nevidne podrobnosti o učinku, ki bi lahko pomagal izračunom, je dejal.
Vsi trije raziskovalci so poudarili, da je razprava prijazna.
"Super je, ker pomeni, da še vedno napredujemo," je dejal Miller. "Sčasoma bo nekaj v učbeniku in igra z žogo je končana ... Dejstvo, da obstajata dve konkurenčni ideji, pomeni, da je vznemirljivo in živahno. In končno imamo na voljo eksperimentalna orodja za rešitev teh vprašanj."
