Senki sem tudja, mi történik egy atom belsejében. De két versengő tudóscsoport úgy gondolja, hogy kitalálták. És ketten versenyeznek annak bizonyítására, hogy saját látásuk helyes.
Íme, amit biztosan tudunk: Az atomok külső héjában az "orbitálok" körül elektronok sípognak. Akkor van egy csomó üres hely. És akkor, közvetlenül a tér közepén, van egy apró mag - egy protonok és neutronok sűrű csomója, amelyek az atom tömegének legnagyobb részét adják. Azok a protonok és neutronok összefüggenek, amelyeket az erős erőnek nevezik. És ezen protonok és neutronok száma meghatározza, hogy az atom vas vagy oxigén vagy xenon, és radioaktív vagy stabil.
Ennek ellenére senki sem tudja, hogyan viselkednek ezek a protonok és neutronok (együttesen nukleonok) egy atom belsejében. Egy atomon kívül a protonok és a neutronok meghatározott méretű és alakúak. Mindegyik három kisebb részecskékből áll, úgynevezett kvarkoknak, és a kvarkok közötti interakciók annyira intenzívek, hogy egyetlen külső erőnek sem lenne képes megváltoztatnia őket, még a sejtmagban lévő részecskék közötti erőteljes erőket sem. De a kutatók évtizedek óta tudják, hogy az elmélet valamilyen módon téves. A kísérletek kimutatták, hogy egy atommagban a protonok és a neutronok sokkal nagyobbnak tűnnek, mint amilyennek kellene lenniük. A fizikusok két, egymással versengő elméletet fejlesztettek ki, amelyek megpróbálják megmagyarázni ezt a furcsa eltérést, és mindegyik támogatói meglehetősen bizonyosak, a másik helytelen. Mindkét tábor egyetért azzal, hogy bármi is legyen a helyes válasz, annak a saját területén túlmutató területről kell származnia.
Legalább az 1940-es évek óta a fizikusok tudták, hogy a nukleonok szűk, kis körüli pályákon mozognak a magon belül - mondta Gerald Miller, a Washingtoni Egyetem nukleáris fizikusa a Live Science-nek. A mozgásokban korlátozott nukleonok nagyon kevés energiával rendelkeznek. Nem sokat ugrálnak, az erős erő visszatartja őket.
Az Nukleáris Kutatás Európai Szervezetének (CERN) fizikusai 1983-ban valami furcsát észleltek: az elektronnyaláb a vasból olyan módon szivárogtatta le a vasat, amely nagyon különbözik attól, ahogyan a szabad protonokat lepattantak - mondta Miller. Ez váratlan volt; ha a hidrogén belüli protonok azonos méretűek lennének, mint a vasban lévő protonok, akkor az elektronoknak nagyjából ugyanúgy kellett lepattanniuk.
A kutatók eleinte nem tudták, mit néznek.
De az idő múlásával a tudósok azt hitték, hogy ez méret kérdés. Valamely oknál fogva a nehéz magokon belüli protonok és neutronok úgy viselkednek, mintha sokkal nagyobbak lennének, mint amikor a magokon kívül vannak. A kutatók ezt a jelenséget EMC-hatásnak hívják, miután az European Muon Együttműködést végezték - a véletlenszerűen felfedezett csoport. Sérti a nukleáris fizika meglévő elméleteit.
Vagy Hennek, a MIT nukleáris fizikusának van egy ötlete, amely potenciálisan megmagyarázhatja mi folyik itt.
Miközben a kvarkok, a nukleonokat alkotó szubatomi részecskék erősen kölcsönhatásba lépnek egy adott protonon vagy neutronon belül, a kvarkok különböző protonokban és a neutronok nem tudnak kölcsönhatásba lépni egymással - mondta. A nukleonon belüli erős erő annyira erős, hogy a nukleonokat tartó erős erőt elkerüli más nukleonokhoz.
- Képzelje el, hogy a szobájában ült két barátjával, bezárva az ablakokat - mondta Hen.
A helyiségben lévő trió három kvarc egy neutronban vagy protonban.
"Kissé szellő fúj kint" - mondta.
Ez a könnyű szellő az erő, amely a protont vagy a neutronot az ablak közelében "elhelyezkedő" közeli nukleonokhoz tartja. Még ha egy kicsit becsapódna is a zárt ablakon, mondta Hen, ez alig fog hatni rád.
És mindaddig, amíg a nukleonok a pályájukon maradnak, ez a helyzet. Mondta azonban, hogy a közelmúltbeli kísérletek azt mutatták, hogy egy adott időben a sejtmagok körülbelül 20% -a valójában keringési idején kívül található. Ehelyett más nukleonokkal párosulnak, "rövid hatótávolságú korrelációkkal" kölcsönhatásba lépve. Ilyen körülmények között a nukleonok közötti kölcsönhatások sokkal nagyobb energiájúak, mint általában, mondta. Ennek oka az, hogy a kvarkok áthatolnak az egyes nukleonok falán, és közvetlenül kölcsönhatásba lépnek, és ezek a kvark-kvark kölcsönhatások sokkal erősebbek, mint a nukleon-nukleon kölcsönhatások.
Ezek a kölcsönhatások lebontják a fajokat, amelyek elválasztják a kvarcokat az egyes protonok vagy neutronok belsejében - mondta Hen. Az egyik protont alkotó kvarkok és a másik protont alkotó kvarkok ugyanazt a teret kezdik elfoglalni. Ez a protonok (vagy esettől függően neutronok) nyújtását és elmosódását okozza - mondta Hen. Sokat nőnek, bár nagyon rövid ideig. Ez torzítja a teljes kohort átlagos méretét a sejtmagban - ez az EMC hatást eredményezi.
A legtöbb fizikus most elfogadja az EMC hatás ilyen értelmezését - mondta Hen. És Miller, aki Hennel dolgozott együtt a legfontosabb kutatásokban, egyetértett.
De nem mindenki gondolja, hogy a Hen csoportban megoldódott a probléma. Ian Cloët, az illinoisi Argonne Nemzeti Laboratórium nukleáris fizikusa azt mondta, hogy Hen munkája arra a következtetésre jut, hogy az adatok nem támasztják alá teljes mértékben.
"Úgy gondolom, hogy az EMC-hatás még nem oldódott meg" - mondta Cloët a Live Science-nek. Ennek oka az, hogy a nukleáris fizika alapmodellje már a Hen által leírt rövid hatótávolságú párosítások sokat képviseli. Ugyanakkor: "Ha ezt a modellt használja az EMC effektus megnézéséhez, akkor nem írja le az EMC effektust. Az EMC effektusnak ennek a keretnek a felhasználásával nem sikerül magyarázatot adni. Tehát véleményem szerint még mindig rejtély található".
Hen és munkatársai kísérleti munkát végeznek, amely "bátor" és "nagyon jó tudomány" - mondta. De nem oldja meg teljesen az atommag problémáját.
"Nyilvánvaló, hogy a nukleáris fizika hagyományos modellje ... nem magyarázza meg ezt az EMC hatást" - mondta. "Most azt gondoljuk, hogy a magyarázatnak maga a QCD-nek kell származnia."
A QCD a kvantum-kromodinamikát jelenti - a kvarkok viselkedését szabályozó szabályrendszert. A nukleáris fizikáról a QCD-re való váltás egy kicsit olyan, mintha ugyanazt a képet kétszer nézzük meg: egyszer egy első generációs fliptelefonon - ez az atomfizika -, majd ismét egy nagy felbontású TV-n - ez a kvantum-kromodinamika. A nagy felbontású TV sokkal részletesebb részletet kínál, de sokkal bonyolultabb a felépítése.
A probléma az, hogy a teljes QCD-egyenletek, amelyek leírják az összes kvarkot, túl nehéz megoldani - mondta Cloët és Hen. Cloët becslése szerint a modern szuperszámítógépek körülbelül 100 év alatt vannak attól, hogy elég gyorsak legyenek a feladat elvégzéséhez. És még ha a szuperszámítógépek ma is elég gyorsak voltak, az egyenletek nem haladtak előre arra a pontra, hogy csatlakoztathassák őket egy számítógéphez - mondta.
Mégis elmondta, lehetséges a QCD-vel való együttműködés néhány kérdés megválaszolására. És most, mondta - ezek a válaszok másképp magyarázzák az EMC hatást: a nukleáris átlag-mező elmélete.
Nem ért egyet azzal, hogy a nukleáris nukleonok 20% -a rövid távú korrelációban van kötve. A kísérletek csak ezt nem bizonyítják - mondta. És vannak elméleti problémák az ötlettel kapcsolatban.
Ez azt sugallja, hogy más modellre van szükségünk - mondta.
"A kép az, hogy van, tudjuk, hogy egy atommagban vannak ezek a nagyon erős nukleáris erők" - mondta Cloët. Ezek "kissé hasonlítanak az elektromágneses terekhez, kivéve, ha erõs erõs terek".
A mezők olyan apró távolságon működnek, hogy elhanyagolható nagyságrendűek a magon kívül, de erősek benne.
Cloët modelljében ezek az erőterek, amelyeket „átlag mezőknek” neveznek (az általuk hordozott együttes erő szempontjából), valójában deformálják a protonok, neutronok és pionok belső struktúráját (egy erőteljes erőhordozó részecske típusa).
"Csakúgy, mintha egy atomot felveszne egy erős mágneses mezőbe, meg fogja változtatni az atom belső szerkezetét" - mondta Cloët.
Más szavakkal, a közép-teoretikusok szerint a Hen által leírt zárt helyiségnek lyukak vannak a falában, és a szél fúj át, hogy átkopogja a kvarkokat, és kinyújtja azokat.
Cloët elismerte, hogy az esetleges kis hatótávolságú korrelációk valószínűleg magyarázatot adnak az EMC hatás valamilyen részére, és Hen szerint az átlag mezők valószínűleg szerepet játszanak.
"A kérdés az, hogy melyik uralkodik" - mondta Cloët.
Miller, aki szintén széles körűen együttműködött Cloët-lal, azt mondta, hogy az átlagtér előnye, hogy elméletben jobban megalapozott. De Cloët még nem tette meg az összes szükséges számítást - mondta.
És jelenleg a kísérleti bizonyítékok súlya azt sugallja, hogy a Hennek jobb az érvelése.
Hen és Cloët egyaránt elmondta, hogy a következő években végzett kísérletek eredményei megoldhatják a kérdést. Hen megemlítette a virginiai Jefferson National Accelerator létesítményben zajló kísérletet, amely apránként közelebb mozgatja a nukleonokat egymáshoz, és lehetővé teszi a kutatók számára, hogy figyeljék megváltozását. Cloët azt mondta, hogy "polarizált EMC-kísérletet" szeretne látni, amely feloszlatja a hatást az érintett protonok spinje (kvantumjellemző) alapján. Előfordulhat, hogy a hatások láthatatlan részleteit fedi fel, amelyek segítséget nyújthatnak a számításokhoz - mondta.
Mindhárom kutató hangsúlyozta, hogy a vita barátságos.
"Nagyszerű, mert azt jelenti, hogy még mindig haladunk" - mondta Miller. "Végül valami bekerül a tankönyvbe, és a labdajátéknak vége ... Az a tény, hogy két versengő ötlet létezik, izgalmas és élénk. És most végre megvannak a kísérleti eszközök ezen kérdések megoldására."
