Nitko zapravo ne zna što se događa unutar atoma. Ali dvije konkurentske skupine znanstvenika misle kako su to shvatili. I obojica se utrkuju kako bi dokazali da je njihova vlastita vizija ispravna.
Evo što sigurno znamo: Elektroni zviždaju oko "orbitala" u vanjskoj ljusci atoma. Onda je ostalo puno praznog prostora. A onda, točno u središtu tog prostora, nalazi se maleno jezgro - gusti čvor protona i neutrona koji daju atomu većinu njegove mase. Ti se protoni i neutroni skupe, vezani za ono što se naziva jakom silom. A brojevi tih protona i neutrona određuju je li atom željezo ili kisik ili ksenon, te je li radioaktivan ili stabilan.
Ipak, nitko ne zna kako se ti protoni i neutroni (zajedno poznati kao nukleoni) ponašaju unutar atoma. Izvan atoma, protoni i neutroni imaju određene veličine i oblike. Svaki od njih sastoji se od tri manje čestice zvane kvarkovi, a interakcije između tih kvarkova toliko su intenzivne da ih nijedna vanjska sila ne bi mogla deformirati, čak ni moćne sile između čestica u jezgri. Ali desetljećima su istraživači znali da je teorija na neki način kriva. Eksperimenti su pokazali da se unutar jezgre protoni i neutroni pojavljuju mnogo veći nego što bi trebali biti. Fizičari su razvili dvije konkurentske teorije koje pokušavaju objasniti tu čudnu neusklađenost, a njihovi zagovornici sasvim su sigurni da je druga pogrešna. Oba se kampa slažu, međutim, da bez obzira na točan odgovor, on mora poticati s polja izvan njihovog vlastitog.
Otkad su četrdesete godine fizičari znali da se nukleoni kreću u malim tijesnim orbitama unutar jezgre, rekao je za Live Science Gerald Miller, nuklearni fizičar sa Sveučilišta u Washingtonu. Nukleoni, zatvoreni u svojim pokretima, imaju vrlo malo energije. Ne skaču naokolo, obuzdane jakom snagom.
1983. fizičari Europske organizacije za nuklearna istraživanja (CERN) primijetili su nešto neobično: Zrake elektrona odskakale su od željeza na način koji je vrlo različit od načina na koji su odbijali slobodne protone, rekao je Miller. To je bilo neočekivano; Da su protoni unutar vodika iste veličine kao protoni unutar željeza, elektroni bi trebali odbiti na gotovo isti način.
Isprva istraživači nisu znali što gledaju.
Ali s vremenom su znanstvenici vjerovali da je to pitanje veličine. Iz nekog razloga, protoni i neutroni unutar teških jezgara djeluju kao da su puno veći nego kad su izvan jezgara. Istraživači taj fenomen nazivaju EMC učinkom, nakon Europske muonske suradnje - skupine koja ga je slučajno otkrila. Krši postojeće teorije nuklearne fizike.
Ili Hen, nuklearni fizičar s MIT-a, ima ideju koja bi potencijalno mogla objasniti što se događa.
Dok kvarkovi, subatomske čestice koje čine nukleone, snažno djeluju unutar određenog protona ili neutrona, kvarkovi u različitim protonovima i neutronima ne mogu puno međusobno komunicirati, rekao je. Snažna sila unutar nukleona je toliko jaka da pomračuje snažnu silu koja drži nukleon prema drugim nukleonima.
"Zamislite kako sjedite u svojoj sobi i razgovarate s dvojicom svojih prijatelja s zatvorenim prozorima", rekao je Hen.
Trio u sobi su tri kvarka unutar neutrona ili protona.
"Vani puše lagani povjetarac", rekao je.
Taj lagani povjetarac je sila koja drži protona ili neutrona do obližnjih nukleona koji su "izvan" prozora. Čak i ako se malo provučete kroz zatvoreni prozor, rekao je Hen, to će vas jedva utjecati.
I sve dok nukleoni ostaju na svojim orbitama, to je slučaj. Međutim, rekao je, nedavni eksperimenti su pokazali da je u bilo kojem trenutku oko 20% nukleona u jezgri zapravo izvan njihovih orbitala. Umjesto toga, oni su upareni s drugim nukleonima, koji djeluju u "korelacijama kratkog raspona". U tim okolnostima, interakcije između nukleona mnogo su više energetske nego inače, rekao je. To je zato što kvarkovi probijaju kroz zidove svojih pojedinih nukleona i počinju izravno komunicirati, a te interakcije kvark-kvark mnogo su moćnije od interakcija nukleon-nukleon.
Ove interakcije razaraju zidove razdvajajući kvarkove unutar pojedinih protona ili neutrona, rekao je Hen. Kvarkovi koji čine jedan proton i kvarkovi koji čine drugi protoni počinju zauzimati isti prostor. Zbog toga se protoni (ili neutroni, ovisno o slučaju), protežu i zamagljuju, rekao je Hen. Raste mnogo, iako za vrlo kratko razdoblje. To iskrivljuje prosječnu veličinu cijele kohorte u jezgri - stvarajući EMC učinak.
Većina fizičara sada prihvaća takvo tumačenje EMC učinka, rekao je Hen. I Miller, koji je radio s Henom na nekim ključnim istraživanjima, složio se s tim.
Ali ne misle svi da je Henkova skupina utvrdila problem. Ian Cloët, nuklearni fizičar iz Nacionalne laboratorije Argonne u Illinoisu, rekao je kako misli da Hen rad donosi zaključke da podaci ne podržavaju u potpunosti.
"Mislim da je učinak EMC-a još uvijek neriješen", rekao je Cloët za Live Science. To je zato što osnovni model nuklearne fizike već čini puno uparenja kratkog dometa koje Hen opisuje. Pa ipak, "ako pomoću ovog modela pokušate pogledati EMC efekt, nećete opisati EMC efekt. Ne postoji uspješno objašnjenje EMC učinka korištenjem tog okvira. Dakle, prema mom mišljenju, još uvijek je misterija."
Hen i njegovi suradnici rade eksperimentalni rad koji je "hrabar" i "vrlo dobra znanost", rekao je. Ali to ne rješava u potpunosti problem atomskog jezgra.
"Ono što je jasno jest da tradicionalni model nuklearne fizike ... ne može objasniti taj EMC učinak", rekao je. "Sada mislimo da objašnjenje mora doći iz samog QCD-a."
QCD označava kvantnu kromodinamiku - sustav pravila koji reguliraju ponašanje kvarkova. Prelazak s nuklearne fizike na QCD pomalo je poput gledanja iste slike dvaput: jednom na flip telefonu prve generacije - to je nuklearna fizika - a zatim opet na televizoru visoke rezolucije - to je kvantna kromodinamika. Televizor visoke rezolucije nudi puno više detalja, ali mnogo je složeniji za izgradnju.
Problem je u tome što su kompletne QCD jednadžbe koje opisuju sve kvarkove u jezgri preteško riješiti, rekli su Cloët i Hen. Moderna superračunala udaljena su stotinu godina od dovoljno brzog za obavljanje zadatka, procijenio je Cloët. Čak i ako su superračunala danas bila dovoljno brza, jednadžbe nisu napredovale do točke u koju biste ih mogli uključiti u računalo, rekao je.
Ipak, rekao je, moguće je surađivati s QCD-om da biste odgovorili na neka pitanja. I upravo sada, rekao je, ti odgovori nude drugačije objašnjenje za učinak EMC-a: Teorija nuklearnog srednjeg polja.
On se ne slaže da je 20% nukleona u jezgri vezano u korelacijama kratkog dosega. Eksperimenti jednostavno ne dokazuju to, rekao je. I postoje teoretski problemi s idejom.
To sugerira da nam je potreban drugačiji model, rekao je.
"Slika koju imam je da znamo da su unutar jezgre ove vrlo jake nuklearne sile", rekao je Cloët. Oni su "pomalo nalik elektromagnetskim poljima, osim što su polja snažne sile".
Polja djeluju na tako malim udaljenostima da su izvan jezgre zanemarive veličine, ali unutar nje su snažna.
U Cloëtovom modelu, ta sila sile, koja on naziva „srednja polja“ (za kombiniranu snagu koju nose) zapravo deformiraju unutarnju strukturu protona, neutrona i piona (vrsta jake čestice koja nosi silu).
"Baš kao ako uzmete atom i stavite ga u snažno magnetsko polje, tako ćete promijeniti i unutarnju strukturu tog atoma", rekao je Cloët.
Drugim riječima, teoretičari srednjeg polja misle da zatvorena prostorija koju je opisao Hen ima rupe u svojim zidovima, a vjetar puše da bi srušio kvarkove unaokolo, protežući ih.
Cloët je priznao da su moguće korelacije kratkog dometa koje će vjerojatno objasniti neki dio utjecaja EMC-a, a Hen je rekao da i srednja polja vjerojatno igraju ulogu.
"Pitanje je što dominira", rekao je Cloët.
Miller, koji je također intenzivno surađivao s Cloëtom, rekao je da je prednost da je srednje polje u teoriji bolje utemeljeno. Ali Cloët još nije izvršio sve potrebne proračune, rekao je.
Upravo sada težina eksperimentalnih dokaza upućuje na to da Hen ima bolji argument.
Hen i Cloët rekli su kako bi rezultati pokusa u sljedećih nekoliko godina mogli riješiti to pitanje. Hen je naveo eksperiment koji je u tijeku u Jefferson National Accelerator Facility u Virginiji, a koji će nukleone pomicati bliže, pomalo, i omogućiti istraživačima da gledaju kako se mijenjaju. Cloët je rekao da želi vidjeti "polarizirani eksperiment EMC" koji bi razbio učinak na temelju centrifuge (kvantne osobine) uključenih protona. To bi moglo otkriti nevidljive detalje učinka koji bi mogli pomoći izračunavanjima, rekao je.
Sva tri istraživača su naglasila da je rasprava prijateljska.
"Super je, jer znači da još uvijek napredujemo", rekao je Miller. "Na kraju će se nešto naći u udžbeniku, a igra s loptom je gotova ... Činjenica da postoje dvije ideje koje se natječu znači da je uzbudljiva i živopisna. I sada konačno imamo eksperimentalne alate za rješavanje ovih problema."
