Tu je záhadná pravda, ktorú vedci vedeli od roku 1983: Protóny a neutróny pôsobia odlišne, keď sú vo vnútri atómu, a voľne sa vznášajú vesmírom. Konkrétne, subatomické častice, ktoré tvoria tieto protóny a neutróny, nazývané kvarky, sa masívne spomaľujú, akonáhle sú obmedzené na jadro v atóme.
Fyzikom sa to naozaj nepáčilo, pretože neutróny sú neutróny, či už sú vo vnútri atómu alebo nie. A protóny sú protóny. Protóny aj neutróny (ktoré spolu tvoria triedu častíc nazývaných „nukleóny“) sa skladajú z troch menších častíc nazývaných kvarky, ktoré sú spojené silnou silou.
„Keď dáte kvarky do jadra, začnú sa pohybovať pomalšie, a to je veľmi čudné,“ uviedol spoluautor štúdie Alebo Hen, fyzik z Massachusetts Institute of Technology. Je to čudné, pretože silné interakcie medzi kvarkmi určujú najmä ich rýchlosť, zatiaľ čo sily, ktoré viažu jadro (a tiež pôsobia na kvarky vo vnútri jadra), by mali byť veľmi slabé, dodal Hen.
A nie je známa žiadna iná sila, ktorá by tak intenzívne modifikovala chovanie kvarkov v jadre. Účinok však zostáva: Partikulárni fyzici to nazývajú efektom EMC pomenovaným pre Európsku muónovú spoluprácu, skupinu, ktorá ho objavila. A donedávna si vedci neboli istí, čo to spôsobilo.
Dve častice v jadre sú typicky ťahané dokopy silou približne 8 miliónov voltov elektrónov (8 MeV), čo je miera energie v časticiach. Kvarky v protóne alebo neutróne sú navzájom spojené asi 1 000 MeV. Preto nedáva zmysel, že porovnateľné mierne interakcie jadra dramaticky ovplyvňujú silné interakcie vnútri kvarkov, povedal Hen spoločnosti Live Science.
„Čo je osem vedľa 1 000?“ povedal.
Efekt EMC však nevyzerá ako mierna škoda z vonkajšej sily. Aj keď sa líši od jedného druhu jadra k druhému: „Nie je to ako pol percenta. Efekt sa objaví z údajov, keď ste dosť kreatívny na to, aby ste navrhli experiment, ktorý by ho hľadal,“ povedal Hen.
V závislosti od použitého jadra sa zdanlivá veľkosť nukleónov (ktorá je funkciou ich rýchlosti) môže meniť o 10 až 20 percent. Napríklad v zlatej jadre sú protóny a neutróny o 20 percent menšie, ako keď voľne plávajú.
Teoretici prišli s množstvom rôznych modelov, aby vysvetlili, čo sa tu deje, povedal Hen.
„Môj priateľ žartoval, že EMC je skratka pre„ Everybody's Model is Cool “, pretože sa zdá, že každý model to dokáže vysvetliť,“ uviedol.
Ale postupom času fyzici robili viac experimentov, testovali tieto rôzne modely a jeden po druhom odpadli.
„Nikto nevie vysvetliť všetky údaje a my sme zostali s veľkou hádankou. Teraz máme veľa údajov, merania toho, ako sa kvarky pohybujú vo všetkých druhoch rôznych jadier, a nedokázali sme vysvetliť, čo sa deje. ," povedal.
Namiesto toho, aby sa pokúsili vysvetliť všetky hádanky naraz, Hen a jeho kolegovia sa rozhodli pozrieť sa iba na jeden osobitný prípad interakcie neutrónov a protónov.
Vo väčšine prípadov sa protóny a neutróny v jadre vzájomne neprekrývajú, namiesto toho si navzájom rešpektujú hranice - aj keď sú skutočne iba systémami viazaných kvarkov. Ale niekedy sa nukleóny spoja v rámci existujúceho jadra a začnú sa navzájom krátko fyzicky prekrývať a stanú sa tým, čo vedci nazývajú „korelované páry“. V tomto okamihu sa týmto spôsobom prekrýva asi 20 percent nukleónov v jadre.
Keď k tomu dôjde, medzi kvarkmi tečie obrovské množstvo energie, čo zásadne mení ich viazanú štruktúru a správanie - jav spôsobený silnou silou. V článku uverejnenom 20. februára v časopise Nature vedci tvrdili, že tento tok energie presne zodpovedá efektu EMC.
Tím bombardoval elektrónmi veľa rôznych typov jadier a našiel priamy vzťah medzi týmito pármi nukleónov a účinkom EMC.
Podľa ich údajov dôrazne naznačujú, že kvarky vo väčšine nukleónov sa pri vstupe do jadra vôbec nezmenia. Ale málo ľudí zapojených do párov nukleónov mení svoje správanie tak dramaticky, že v každom experimente prekročili priemerné výsledky. To, že veľa kvarkov zabalených do tak malého priestoru spôsobuje nejaké dramatické silné sily. Efekt EMC je skôr výsledkom iba menšiny anomálií než zmeny správania všetkých protónov a neutrónov.
Z týchto údajov tím odvodil matematickú funkciu, ktorá presne popisuje, ako sa efekt EMC správa z jedného jadra na druhé.
„Predpovedali a ich predpovede boli viac-menej potvrdené,“ uviedol Gerald Feldman, fyzik z Univerzity George Washington, ktorý napísal sprievodný článok Správy a názory v rovnakom čísle Prírody, ale nezúčastnil sa na výskume.
Je to silný dôkaz, že tento párovací efekt je skutočnou odpoveďou na záhadu EMC, povedal Feldman spoločnosti Live Science.
Zdá sa, že po 35 rokoch fyzici častíc vyriešili tento problém priveľa nevyhovujúcich riešení. Hen povedal, že on a jeho kolegovia už majú naplánované následné experimenty, ktoré by túto záležitosť prehĺbili ešte hlbšie, a odhalili nové neznáme pravdy o správaní spárovaných nukleónov vo vnútri atómov.
