Evo tajanstvene istine koju znanstvenici znaju od 1983. godine: Protoni i neutroni djeluju drugačije kad su unutar atoma, nasuprot tome da slobodno lete kroz svemir. Naime, subatomske čestice koje čine te protone i neutrone, zvane kvarkovi, masovno usporavaju nakon što budu ograničene na jezgru atoma.
Fizičarima se to zaista nije svidjelo, jer neutroni su neutroni, bilo da su u nekom atomu ili ne. A protoni su protoni. I protoni i neutroni (koji zajedno čine klasu čestica zvanih "nukleoni") sastoje se od tri manje čestice, zvane kvarkovi, vezane zajedno jakom silom.
"Kad stavite kvarkove u jezgro, počinju se sporije kretati, a to je vrlo čudno", rekao je koautor studije Or Hen, fizičar s Massachusetts Institute of Technology. To je čudno, jer snažne interakcije između kvarkova uglavnom određuju njihovu brzinu, dok su sile koje vežu jezgro (a također djeluju i na kvarkove unutar jezgre) trebale biti vrlo slabe, dodao je Hen.
I nema druge poznate sile koja bi trebala tako intenzivno modificirati ponašanje kvarkova u jezgri. Pa ipak, učinak ostaje: Fizičari čestica nazivaju ga EMC-efektom, nazvanim po europskoj muonskoj suradnji, grupi koja ga je otkrila. I do nedavno, znanstvenici nisu bili sigurni što je uzrokovalo.
Dvije čestice u jezgri obično se povlače zajedno snagom od oko 8 milijuna elektrona (8 MeV), mjerom energije u česticama. Kvarkovi u protonu ili neutronu spojeni su s oko 1000 MeV. Dakle, nema smisla da relativno blage interakcije jezgre dramatično utječu na snažne interakcije unutar kvarkova, rekao je Hen za Live Science.
"Što je osam pored 1.000?" On je rekao.
Ali EMC učinak ne izgleda kao blagi potisak vanjske sile. Iako se razlikuje od jedne vrste do sljedeće jezgre, "To nije kao pola posto. Efekt iskoči iz podataka nakon što budete dovoljno kreativni da dizajnirate eksperiment da biste ga tražili", rekao je Hen.
Ovisno o jezgri koja je uključena, prividna veličina nukleona (što je funkcija njihove brzine) može se mijenjati za 10 do 20 posto. Na primjer, u zlatnom jezgri protoni i neutroni su 20 posto manji nego oni kada slobodno plutaju.
Teoretičari su smislili puno različitih modela kako bi objasnili što se ovdje događa, rekao je Hen.
"Jedan moj prijatelj našalio se da EMC stoji za" Svi su modeli cool ", jer se činilo da bi svaki model mogao objasniti", rekao je.
Ali s vremenom su fizičari napravili još eksperimenata, testirajući te različite modele, a jedan za drugim su propadali.
"Nitko nije mogao objasniti sve podatke, a ostali smo s velikom zagonetkom. Sada imamo puno podataka, mjerenja kako se kvarkovi kreću unutar različitih vrsta jezgara, i nismo mogli objasniti što se događa ," On je rekao.
Umjesto da pokušaju objasniti sve zagonetke odjednom, Hen i njegovi kolege odlučili su pogledati samo jedan poseban slučaj interakcije neutrona i protona.
Pod većinom okolnosti, protoni i neutroni u jezgri se ne preklapaju jedni s drugima, već poštuju međusobne granice - iako su oni zapravo samo sustavi vezanih kvarkova. Ali ponekad se nukleoni povezuju unutar postojeće jezgre i počinju se nakratko, fizički preklapati jedan s drugim, postajući ono što znanstvenici nazivaju "korelirani parovi." U bilo kojem se trenutku na taj način preklapa oko 20 posto nukleona u jezgri.
Kad se to dogodi, ogromne količine energije teče među kvarkovima, u osnovi mijenjajući njihovu graničnu strukturu i ponašanje - fenomen uzrokovan jakom silom. U radu objavljenom 20. veljače u časopisu Nature, istraživači tvrde da taj protok energije upravo objašnjava EMC učinak.
Tim je bombardirao puno različitih jezgara s elektronima i pronašao je izravan odnos između tih nukleonskih parova i EMC efekta.
Njihovi podaci snažno sugeriraju, rekao je Hen, da se kvarkovi u većini nukleona uopće ne mijenjaju kada uđu u jezgru. Ali oni nekoliko koji su uključeni u nukleonske parove mijenjaju svoje ponašanje tako dramatično da izvrću prosječne rezultate u bilo kojem eksperimentu. Mnogi kvarkovi upakirani u tako mali prostor uzrokuju neke dramatične efekte jake sile. EMC učinak posljedica je samo manjine anomalija, a ne promjena ponašanja svih protona i neutrona.
Iz podataka je tim izvukao matematičku funkciju koja precizno opisuje kako se učinak EMC-a ponaša iz jedne jezgre u drugu.
"Predviđali su i njihovo predviđanje bilo je manje-više potvrđeno", rekao je Gerald Feldman, fizičar sa sveučilišta George Washington koji je napisao popratni članak News & Views u istom broju Nature, ali nije bio uključen u istraživanje.
To je snažan dokaz da je ovaj učinak spajanja pravi odgovor na misteriju EMC-a, rekao je Feldman Live Science.
Čini se da su nakon 35 godina fizičari čestica ovaj problem riješili s previše neuobičajenih rješenja. Hen je rekao da su on i njegove kolege već planirani naknadni eksperimenti kako bi još dublje ispitali problem i otkrili nove nepoznate istine o ponašanju uparenih nukleona unutar atoma.
