Nikto nevie, čo sa deje vo vnútri atómu. Ale dve konkurenčné skupiny vedcov si myslia, že na to prišli. A obaja pretekajú, aby dokázali, že ich vlastná vízia je správna.
Tu je to, čo vieme s istotou: Elektróny bzučia okolo „orbitálov“ vo vonkajšom plášti atómu. Potom je tu veľa prázdneho priestoru. A potom, priamo v strede tohto priestoru, je malé jadro - hustý uzol protónov a neutrónov, ktoré dávajú atómu väčšinu svojej hmotnosti. Tieto protóny a neutróny sa zhlukujú dokopy, zviazané tým, čo sa nazýva silná sila. A počet týchto protónov a neutrónov určuje, či je atómom železa alebo kyslíka alebo xenónu a či je rádioaktívny alebo stabilný.
Napriek tomu nikto nevie, ako sa tieto protóny a neutróny (spolu známe ako nukleóny) správajú vo vnútri atómu. Protóny a neutróny majú mimo atómu určitú veľkosť a tvar. Každá z nich je zložená z troch menších častíc nazývaných kvarky a interakcie medzi týmito kvarkami sú také intenzívne, že by ich žiadna vonkajšia sila nemohla deformovať, a to ani silných síl medzi časticami v jadre. Už desaťročia vedci vedeli, že teória je nejakým spôsobom nesprávna. Pokusy ukázali, že vo vnútri jadra sa protóny a neutróny javia oveľa väčšie, ako by mali byť. Fyzici vyvinuli dve konkurenčné teórie, ktoré sa snažia vysvetliť, že čudné nezhody, a zástancovia každého sú si celkom istí, že druhý je nesprávny. Obidva tábory sa však zhodujú na tom, že akákoľvek správna odpoveď je, musí pochádzať z poľa nad rámec ich vlastnej.
Fyzici od najmenej štyridsiatych rokov minulého storočia vedeli, že nukleóny sa pohybujú v malých jadrách v jadre. Gerald Miller, jadrový fyzik na Washingtonskej univerzite, povedal spoločnosti Live Science. Nukleóny, ktoré sú vo svojich pohyboch obmedzené, majú veľmi malú energiu. Veľa sa neohýbajú, zdržiavaní silnou silou.
V roku 1983 si fyzici v Európskej organizácii pre jadrový výskum (CERN) všimli niečo divné: lúče elektrónov sa odrazili od železa spôsobom, ktorý sa veľmi líšil od toho, ako odrazili voľné protóny, povedal Miller. To bolo neočakávané; ak by boli protóny vo vodíku rovnaké ako protóny vo vnútri železa, elektróny by sa mali odraziť v podstate rovnakým spôsobom.
Vedci spočiatku nevedeli, na čo sa pozerajú.
Ale postupom času vedci verili, že ide o problém veľkosti. Z nejakého dôvodu protóny a neutróny vo vnútri ťažkých jadier pôsobia, akoby boli omnoho väčšie, ako keď sú mimo jadier. Vedci nazývajú tento jav efektom EMC po Európskej muónovej spolupráci - skupina, ktorá ho náhodou objavila. Porušuje existujúce teórie jadrovej fyziky.
Alebo Hen, jadrový fyzik na MIT, má nápad, ktorý by mohol potenciálne vysvetliť, čo sa deje.
Kým kvarky, subatomické častice, ktoré tvoria nukleóny, silne interagujú v rámci daného protónu alebo neutrónu, kvarky v rôznych protónoch a neutrónoch nemôžu navzájom dobre interagovať, uviedol. Silná sila vo vnútri nukleónu je taká silná, že zatieni silnú silu držiacu nukleóny k iným nukleónom.
„Predstavte si, že sedíte vo svojej izbe a rozprávate sa s dvoma vašimi priateľmi so zatvorenými oknami,“ povedal Hen.
Trio v miestnosti sú tri kvarky vo vnútri neutrónu alebo protónu.
„Vonku fúka ľahký vánok,“ povedal.
Tento ľahký vánok je sila, ktorá drží protón alebo neutrón na blízkych nukleónoch, ktoré sú „mimo“ okna. Aj keď sa trochu zatvorí zatvoreným oknom, povedal Hen, sotva by to ovplyvnilo vás.
A pokiaľ nukleóny zostanú na svojich obežných dráhach, je to tak. Nedávne experimenty však ukázali, že v ktoromkoľvek danom čase je asi 20% nukleónov v jadre v skutočnosti mimo ich obežných dráh. Namiesto toho sú spárované s inými nukleónmi a interagujú v „koreláciách krátkeho dosahu“. Za týchto okolností sú interakcie medzi nukleónmi oveľa energetickejšie ako obvykle. Je to preto, že kvarky prechádzajú cez steny svojich jednotlivých nukleónov a začínajú priamo interagovať, a tieto interakcie kvark-kvark sú oveľa silnejšie ako interakcie nukleón-nukleón.
Tieto interakcie rozkladajú steny oddeľujúce kvarky vnútri jednotlivých protónov alebo neutrónov, povedal Hen. Kvarky tvoriace jeden protón a kvarky tvoriace ďalší protón začínajú zaberať rovnaký priestor. To spôsobí, že protóny (prípadne neutróny) sa roztiahnu a rozmazajú, povedal Hen. Rastú veľa, aj keď len veľmi krátko. Toto skresľuje priemernú veľkosť celej kohorty v jadre - vytvára efekt EMC.
Väčšina fyzikov teraz akceptuje túto interpretáciu efektu EMC, uviedol Hen. A Miller, ktorý pracoval s Henom na niektorých kľúčových výskumoch, súhlasil.
Ale nie každý si myslí, že Henova skupina má problém vyriešený. Ian Cloët, jadrový fyzik v národnom laboratóriu v Argonne v Illinois, povedal, že si myslí, že Henova práca vyvodzuje závery, že údaje úplne nepodporujú.
„Myslím si, že efekt EMC je stále nevyriešený,“ povedal Cloët pre Live Science. Je to preto, že základný model jadrovej fyziky už predstavuje veľa párov krátkeho dosahu, ktoré popisuje Hen. Napriek tomu, „ak použijete tento model na vyskúšanie a pozeranie sa na efekt EMC, nebudete opisovať účinok EMC. Neexistuje žiadne úspešné vysvetlenie efektu EMC pomocou tohto rámca. Podľa môjho názoru teda stále existuje tajomstvo.“
Hen a jeho spolupracovníci robia experimentálnu prácu, ktorá je „statočná“ a „veľmi dobrá veda“, uviedol. Ale to úplne nerieši problém atómového jadra.
„Je zrejmé, že tradičný model jadrovej fyziky ... nedokáže vysvetliť tento efekt EMC,“ uviedol. „Teraz si myslíme, že vysvetlenie musí vychádzať zo samotného QCD.“
QCD znamená kvantová chromodynamika - systém pravidiel, ktoré riadia chovanie kvarkov. Prechod z jadrovej fyziky na QCD je trochu ako pozerať sa na ten istý obrázok dvakrát: raz na telefóne prvej generácie - to je jadrová fyzika - a potom znova na televízore s vysokým rozlíšením - to je kvantová chromodynamika. Televízor s vysokým rozlíšením ponúka oveľa podrobnejšie informácie, ale jeho zostavenie je oveľa zložitejšie.
Problém je v tom, že úplné QCD rovnice popisujúce všetky kvarky v jadre sú príliš ťažké na vyriešenie, obaja Cloët a Hen povedal. Podľa odhadov Cloët sú moderné superpočítače asi 100 rokov od dostatočne rýchlej úlohy. A aj keď sú dnes superpočítače dosť rýchle, rovnice sa nepokročili do bodu, keď by ste ich mohli zapojiť do počítača, povedal.
Napriek tomu, on povedal, je možné pracovať s QCD na zodpovedanie niekoľkých otázok. A práve teraz, tieto odpovede ponúkajú odlišné vysvetlenie účinku EMC: Teória jadrových polí.
Nesúhlasí s tým, že 20% nukleónov v jadre je viazaných v koreláciách krátkeho dosahu. Experimenty to jednoducho nedokazujú. A s touto myšlienkou sú teoretické problémy.
To naznačuje, že potrebujeme iný model.
„Obrázok, ktorý mám, je taký, že vieme, že vnútri jadra sú tieto veľmi silné jadrové sily,“ povedal Cloët. Sú to „trochu ako elektromagnetické polia, s výnimkou silných silových polí“.
Polia fungujú v tak malých vzdialenostiach, že sú mimo jadra zanedbateľnej veľkosti, ale vo vnútri sú silné.
V Cloëtovom modeli tieto silové polia, ktoré nazýva „stredné polia“ (pre kombinovanú silu, ktorú nesú) skutočne deformujú vnútornú štruktúru protónov, neutrónov a piónov (druh silnej sily nesúcej častice).
„Rovnako ako keď si vezmete atóm a vložíte ho do silného magnetického poľa, zmeníte vnútornú štruktúru tohto atómu,“ povedal Cloët.
Inými slovami, teoretici stredného poľa si myslia, že zapečatená miestnosť, ktorú opísal Hen, má vo svojich stenách diery a vietor fúka, aby rozdrvil kvarky a natiahol ich.
Cloët uznal, že možné korelácie na krátke vzdialenosti pravdepodobne vysvetľujú určitú časť efektu EMC a Hen povedal, že určitú úlohu zohrávajú pravdepodobne aj stredné polia.
„Otázka je, ktorá dominuje,“ povedal Cloët.
Miller, ktorý tiež intenzívne spolupracoval s Cloëtom, uviedol, že stredné pole má tú výhodu, že je teoretickejšie založené. Cloët však ešte neurobil všetky potrebné výpočty, uviedol.
A práve teraz váha experimentálnych dôkazov naznačuje, že Hen má argumenty lepšie.
Hen aj Cloët uviedli, že výsledky experimentov v nasledujúcich rokoch môžu túto otázku vyriešiť. Hen citoval experiment prebiehajúci v Jeffersonovom národnom akcelerátorovom zariadení vo Virgínii, ktorý posunie nukleóny bližšie k sebe, kúsok po kúsku, a umožní vedcom sledovať ich zmenu. Cloët povedal, že chce vidieť „polarizovaný EMC experiment“, ktorý by prerušil účinok na základe spinu (kvantovej vlastnosti) zapojených protónov. Môže odhaliť neviditeľné podrobnosti o vplyve, ktorý by mohol pomôcť pri výpočtoch, uviedol.
Všetci traja vedci zdôraznili, že diskusia je priateľská.
„Je to skvelé, pretože to znamená, že stále dosahujeme pokrok,“ povedal Miller. „Nakoniec niečo bude v učebnici a lopta sa skončí ... Skutočnosť, že existujú dva konkurenčné nápady, znamená, že je vzrušujúca a živá. A teraz máme konečne experimentálne nástroje na vyriešenie týchto problémov.“
