Íme egy titokzatos igazság, amelyet a tudósok 1983 óta ismertek: A protonok és a neutronok eltérően viselkednek, amikor egy atomban vannak, szemben az űrben szabadon lebegő képességgel. Pontosabban, a protonokat és neutronokat alkotó szubatomi részecskék, nevezetesen kvarkok, hatalmas mértékben lelassulnak, miután egy atommaghoz kapcsolódnak.
A fizikusoknak igazán nem tetszett ez, mert a neutronok neutronok, függetlenül attól, hogy atomban vannak-e vagy sem. És a protonok protonok. Mind a protonok, mind a neutronok (amelyek együttesen képezik a "nukleonoknak" nevezett részecskék osztályát) három kisebb részecskékből állnak, úgynevezett kvarkok, amelyeket az erős erő köt össze.
"Amikor kvarkokat helyeznek egy atommagba, akkor lassabban kezdnek mozogni, és ez nagyon furcsa" - mondta Or Hen, a tanulmány társszerzője, a Massachusetts Technológiai Intézet fizikusa. Ez furcsa, mert a kvarkok közötti erőteljes kölcsönhatások elsősorban meghatározzák azok sebességét, míg a magot megkötő (és a magban lévő kvarkokat is befolyásoló) erők állítólag nagyon gyengék - tette hozzá Hen.
És nincs más ismert erő, amely olyan erősen módosíthatja a kvarkok viselkedését a magban. Ennek ellenére a hatás továbbra is fennmarad: a részecskefizikusok EMC-effektusnak hívják, amelyet az European Muon Collaboration-nek neveztek el, az a csoport, amely felfedezte. És a közelmúltig a tudósok nem voltak biztosak abban, hogy mi okozta.
A magban lévő két részecskét általában körülbelül 8 millió elektronvolt (8 MeV) erő húzza össze, ami a részecskékben lévő energia mértéke. A protonban vagy a neutronban lévő kvarkokat körülbelül 1000 MeV köti össze. Tehát nincs értelme, hogy a mag viszonylag enyhe interakciói drámai módon befolyásolják a kvarkok belső erőteljes kölcsönhatásait - mondta Hen a Live Science-nek.
"Mi a nyolc az 1000 mellett?" ő mondta.
Az EMC hatás azonban nem úgy tűnik, mint egy külső erő általi enyhe dudor. Noha az atommagtól függően változik: "Ez nem olyan, mint a fél százalék. A hatás akkor bukkan fel az adatokból, ha elég kreatív vagy ahhoz, hogy egy kísérletet megtervezhessen." - mondta Hen.
Az érintett magtól függően a nukleonok látszólagos mérete (ami a sebesség függvénye) 10-20 százalékkal változhat. Például egy aranymagban a protonok és a neutronok 20 százalékkal kisebbek, mint ahogy szabadon lebegnek.
Az elméleti szakemberek sokféle modellvel álltak elő, hogy elmagyarázzák, mi folyik itt - mondta Hen.
"Egy barátom tréfált, hogy az EMC az" Everybody's Model is Cool "mellett áll, mert úgy tűnt, hogy minden modell megmagyarázza" - mondta.
De az idő múlásával a fizikusok több kísérletet végeztek, kipróbálták ezeket a különböző modelleket, és egymás után eltűntek.
"Senki sem tudta megmagyarázni az összes adatot, és egy nagy rejtvény maradt nekünk. Nagyon sok adatunk van, megmérjük, hogy a kvarkok hogyan mozognak mindenféle különféle magban, és nem tudtuk megmagyarázni, mi folyik itt. ," ő mondta.
Ahelyett, hogy megpróbálta volna elmagyarázni az összes rejtvényt egyszerre, Hen és kollégái úgy döntöttek, hogy csak a neutron és proton kölcsönhatás egyetlen különös esetét vizsgálják meg.
A legtöbb esetben a magban lévő protonok és neutronok nem fedik át egymást, ehelyett tiszteletben tartják egymás határait - bár valójában csak kötött kvarkok rendszerei. De néha a nukleonok összekapcsolódnak a meglévő magon belül, és röviden, fizikailag átfedésben vannak egymással, és a tudósok „összefüggő pároknak” hívják őket. Bármelyik pillanatban a nukleusz körülbelül 20 százaléka átfedhet ilyen módon.
Amikor ez megtörténik, hatalmas mennyiségű energia áramlik a kvarkok között, alapvetően megváltoztatva kötött szerkezetüket és viselkedésüket - ezt a jelenséget az erős erő okozza. A Nature folyóiratban, február 20-án megjelent cikkben a kutatók azzal érveltek, hogy ez az energiaáram pontosan az EMC hatást magyarázza.
A csapat sok különféle típusú magot bombázott elektronokkal, és közvetlen kapcsolatot talált e nukleonpárok és az EMC hatás között.
Az adatok erősen azt sugallják, Hen mondta, hogy a legtöbb nukleon kvarcjai egyáltalán nem változnak, amikor egy magba lépnek. De azok a kevés, a nukleonpárokban részt vevő személyek, olyan drámai módon változtatják meg viselkedésüket, hogy bármilyen kísérlet során eltorzítják az átlagos eredményeket. Az a tény, hogy sok kvarc ilyen kis helyre van csomagolva, drámai erős erőhatásokat okoz. Az EMC hatás a rendellenességeknek csak egy kisebb részén, nem pedig az összes proton és neutron viselkedésének megváltozásán alapul.
Az adatok alapján a csoport egy matematikai függvényt vezetett be, amely pontosan leírja, hogyan viselkedik az EMC hatás az egyik atommagról a másikra.
"Jóslatot tettek, és előrejelzésüket többé-kevésbé megerősítették" - mondta Gerald Feldman, a George Washington Egyetem fizikusa, aki kísérő News & Views cikket írt a Nature ugyanazon számában, de nem vett részt a kutatásban.
Ez határozott bizonyíték arra, hogy ez a párosító hatás valódi válasz az EMC rejtélyére - mondta Feldman a Live Science-nek.
35 év után úgy tűnik, hogy a részecskefizikus túl sok nem jó megoldással oldotta meg ezt a problémát. Hen azt mondta, hogy kollégáival már tervezett nyomon követési kísérleteket, amelyek célja a kérdés még mélyebb megismerése, és új ismeretlen igazságok feltárása az atomokon belüli párosított nukleonok viselkedéséről.
