Tu je skrivnostna resnica, ki jo znanstveniki poznajo že od leta 1983: Protoni in nevtroni delujejo drugače, kadar so znotraj atoma, nasprotno pa prosto plujejo skozi vesolje. Natančneje, subatomski delci, ki sestavljajo te protone in nevtrone, imenovane kvarki, se močno upočasnijo, ko so omejeni na jedro v atomu.
Fizikom to res ni bilo všeč, saj so nevtroni nevtroni, ne glede na to, ali so znotraj atoma ali ne. In protoni so protoni. Tako protoni kot nevtroni (ki skupaj sestavljajo razred delcev, imenovanih "nukleoni") so sestavljeni iz treh manjših delcev, imenovanih kvarki, ki jih povezuje močna sila.
"Ko postavite kvarke v jedro, se začnejo premikati počasneje, in to je zelo čudno," je dejal soavtor študije Or Hen, fizik z Massachusetts Institute of Technology. To je nenavadno, ker naj bi močne interakcije med kvarki v glavnem določile njihovo hitrost, medtem ko naj bi bile sile, ki vežejo jedro (in delujejo tudi na kvarke znotraj jedra) zelo šibke, je dodal Hen.
In ni nobene druge znane sile, ki bi morala tako intenzivno spreminjati vedenje kvarkov v jedru. Vendar učinek ostaja: fiziki delcev mu pravijo učinek EMC, imenovan za skupino European Muon Collaboration, skupina, ki ga je odkrila. In do nedavnega znanstveniki niso bili prepričani, kaj je povzročilo.
Dva delca v jedru običajno potegneta skupaj s silo okoli 8 milijonov elektronov voltov (8 MeV), kar je merilo energije v delcih. Kvarke v protonu ali nevtronu vežejo približno 1000 MeV. Tako nima smisla, da sorazmerno blage interakcije jedra močno vplivajo na močne interakcije znotraj kvarkov, je Hen povedal za Live Science.
"Kaj je osem poleg 1.000?" rekel je.
Toda učinek EMC ne izgleda kot blag pritisk zunanje sile. Čeprav se razlikuje od ene vrste do druge, "to ni kot pol odstotka. Učinek izpade iz podatkov, ko ste dovolj kreativni, da oblikujete eksperiment, da bi ga iskali," je dejal Hen.
Glede na vključeno jedro se lahko navidezna velikost nukleonov (kar je odvisno od njihove hitrosti) spremeni za 10 do 20 odstotkov. Na primer, v zlatem jedru so protoni in nevtroni 20 odstotkov manjši, kot so, kadar prosto plavajo.
Teoretiki so si omislili veliko različnih modelov, da bi razložili, kaj se tu dogaja, je dejal Hen.
"Prijatelj se je šalil, da EMC pomeni" Vsi modeli so kul ", ker se je zdel vsak model, kot bi lahko razložil," je dejal.
Toda sčasoma so fiziki naredili več eksperimentov, preizkušali tiste različne modele in eden za drugim propadali.
"Nihče ni znal razložiti vseh podatkov in ostali smo z veliko uganko. Zdaj imamo veliko podatkov, meritev, kako se premikajo kvarki znotraj vseh vrst različnih jeder, in nismo mogli pojasniti, kaj se dogaja ," rekel je.
Namesto da bi poskušali naenkrat razložiti vso uganko, sta se Hen in njegovi sodelavci odločili, da bodo pregledali samo en poseben primer interakcije nevtronov in protonov.
V večini okoliščin se protoni in nevtroni v jedru med seboj ne prekrivajo, namesto da spoštujejo meje drug drugega, čeprav so v resnici zgolj sistemi vezanih kvarkov. Toda včasih se nukleoni povežejo znotraj obstoječih jeder in začnejo na kratko, se fizično prekrivati med seboj, postanejo tisto, kar znanstveniki imenujejo "korelirani pari". Na vsak način se približno 20 odstotkov nukleonov v jedru na ta način prekriva.
Ko se to zgodi, med kvarki teče ogromno energije, kar bistveno spremeni njihovo vezano strukturo in vedenje - pojav, ki ga povzroča močna sila. V članku, objavljenem 20. februarja v reviji Nature, so raziskovalci trdili, da ta pretok energije natančno predstavlja učinek EMC.
Ekipa je z elektroni bombardirala veliko različnih vrst jeder in ugotovila neposredno povezavo med temi nukleonskimi pari in EMC učinkom.
Njihovi podatki močno kažejo, je dejal Hen, da se kvarki v večini nukleonov sploh ne spremenijo, ko vstopijo v jedro. Toda maloštevilni, ki sodelujejo v nukleonskih parih, spremenijo svoje vedenje tako dramatično, da so izkrivili povprečne rezultate v katerem koli poskusu. To, da je veliko kvarkov, zbranih v tako majhnem prostoru, povzroči nekaj močnih silnih učinkov. Učinek EMC je posledica le manjšega števila anomalij, ne pa spremembe vedenja vseh protonov in nevtronov.
Iz podatkov je ekipa izpeljala matematično funkcijo, ki natančno opisuje, kako se učinek EMC obnaša od enega jedra do drugega.
"Napovedali so se in njihova napoved je bila bolj ali manj potrjena," je dejal Gerald Feldman, fizik z univerze George Washington, ki je v isti številki Nature napisal spremljajoči članek News & Views, vendar ni bil vključen v raziskave.
To je močan dokaz, da je ta učinek združevanja pravi odgovor na skrivnost EMC, je Feldman povedal Live Science.
Po 35 letih se zdi, da so fiziki delcev to težavo rešili s preveč neprimernimi rešitvami. Hen je dejal, da je s svojimi sodelavci že načrtovan nadaljnji poskus, da bi to vprašanje še bolj poglobljeno razkril in razkril nove neznane resnice o obnašanju združenih nukleonov znotraj atomov.
