Kukaan ei oikein tiedä mitä tapahtuu atomin sisällä. Mutta kahden kilpailevan tutkijaryhmän mielestä he ovat keksineet sen. Ja molemmat kilpailevat todistaakseen, että heidän oma näkemyksensä on oikea.
Täältä tiedämme varmasti: Elektronit uisuvat "kiertoratojen" ympärillä atomin ulkokuoressa. Sitten on paljon tyhjää tilaa. Ja sitten, aivan avaruuden keskellä, on pieni ydin - tiheä protonien ja neutronien solmu, joka antaa atomille suurimman osan massastaan. Nuo protonit ja neutronit klusteroituvat toisiinsa, joita sitoo ns. Voimakas voima. Ja näiden protonien ja neutronien lukumäärä määrittelee onko atomi rautaa, happea vai ksenonia ja onko se radioaktiivinen vai stabiili.
Kukaan ei silti tiedä kuinka nuo protonit ja neutronit (yhdessä kutsutaan nukleoneiksi) käyttäytyvät atomin sisällä. Atomin ulkopuolella protoneilla ja neutroneilla on selkeät koot ja muodot. Jokainen niistä koostuu kolmesta pienemmästä hiukkasesta, jota kutsutaan kvarkeiksi, ja näiden kvarkkien väliset vuorovaikutukset ovat niin voimakkaita, että minkään ulkoisen voiman ei pitäisi pystyä muuttamaan niitä, edes ytimen hiukkasten väliset voimakkaat voimat. Mutta tutkijat ovat vuosikymmenien ajan tietäneet, että teoria on jollain tavalla väärä. Kokeet ovat osoittaneet, että ytimen sisällä protonit ja neutronit näyttävät olevan paljon suurempia kuin niiden pitäisi olla. Fyysikot ovat kehittäneet kaksi kilpailevaa teoriaa, jotka yrittävät selittää tämän outon epäsovituksen, ja kummankin puolustajat ovat melko varmoja, toinen on väärin. Molemmat leirit ovat kuitenkin yhtä mieltä siitä, että mikä tahansa oikein vastaus on, sen on oltava lähtöisin heidän omalta puoleltaan.
Ainakin 1940-luvulta lähtien fyysikot ovat tienneet, että nukleonit liikkuvat pienissä tiukkoissa kiertoradassa ytimen sisällä, Washingtonin yliopiston ydinfyysikko Gerald Miller kertoi Live Sciencelle. Liikkeissä rajoitetuissa nukleoneissa on hyvin vähän energiaa. He eivät pomppu paljon, voimakkaan voiman hillitsemällä.
Vuonna 1983 Euroopan ydintutkimusjärjestön (CERN) fyysikot huomasivat jotain outoa: Elektronisuihkut kimppasivat raudasta tavalla, joka oli hyvin erilainen kuin miten ne palasivat vapaaksi protoneiksi, Miller sanoi. Se oli odottamatonta; jos vedyn sisällä olevat protonit olisivat samankokoisia kuin raudan sisällä olevat protonit, elektronien olisi pitänyt palautua pois samalla tavalla.
Aluksi tutkijat eivät tienneet mitä he katsoivat.
Mutta ajan myötä tutkijat uskoivat, että se oli kokoon liittyvä kysymys. Jostain syystä protonit ja neutronit raskasytimien sisällä toimivat ikään kuin ne olisivat paljon suurempia kuin ollessaan ytimien ulkopuolella. Tutkijat kutsuvat tätä ilmiötä EMC-vaikutukseksi European Muon -yhteistyön jälkeen - ryhmä, joka vahingossa löysi sen. Se rikkoo olemassa olevia ydinfysiikan teorioita.
Tai MIT: n ydinfyysikolla Henilla on idea, joka mahdollisesti selittää mitä tapahtuu.
Vaikka kvarkit, nukleonien muodostavat alaatomiset hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa tietyssä protonissa tai neutronissa, kvarkit eri protoneissa ja neutronit eivät voi olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, hän sanoi. Vahva voima nukleonin sisällä on niin voimakas, että se pimenee voimakkaan voiman pitävät nukleonit muihin nukleoneihin.
"Kuvittele istuvasi huoneessa puhumassa kahden ystäväsi kanssa ikkunoiden ollessa kiinni", Hen sanoi.
Kolmio huoneessa on kolme kvarkkia neutronin tai protonin sisällä.
"Ulkona puhaltaa kevyt tuuli", hän sanoi.
Tuo kevyt tuulet on protonia tai neutronia pitävä voima lähellä oleviin nukleoneihin, jotka ovat ikkunan "ulkopuolella". Vaikka Henki sanoi hiukan hiukan suljetun ikkunan läpi, se tuskin vaikuttaa sinuun.
Ja niin kauan kuin nukleonit pysyvät kiertoradallaan, niin se on. Hän sanoi kuitenkin, että äskettäiset kokeilut ovat osoittaneet, että noin 20% ytimen nukleoneista on tosiasiassa niiden kiertoratojen ulkopuolella. Sen sijaan ne pariksi muihin nukleoneihin, vuorovaikutuksessa "lyhyen kantaman korrelaatioissa". Tuolloin nukleonien väliset vuorovaikutukset ovat paljon enemmän energiaa kuin tavallisesti, hän sanoi. Tämä johtuu siitä, että kvarkit pistävät yksittäisten nukleoniensa seinien läpi ja alkavat olla vuorovaikutuksessa, ja nämä kvarki-kvarki-vuorovaikutukset ovat paljon voimakkaampia kuin nukleoni-nukleoni-vuorovaikutukset.
Nämä vuorovaikutukset hajottavat seinät, jotka erottavat kvarkeja yksittäisten protonien tai neutronien sisällä, Hen sanoi. Yksi protonia muodostavat kvarkit ja toista protonia muodostavat kvarkit alkavat miehittää saman tilan. Tämä aiheuttaa protonien (tai mahdollisten neutronien) venymisen ja sumenemisen, Hen sanoi. Ne kasvavat paljon, vaikkakin hyvin lyhyeksi ajaksi. Tämä vääristää koko kohortin keskimääräistä koko ytimessä - tuottaen EMC-vaikutuksen.
Useimmat fyysikot hyväksyvät nyt tämän tulkinnan EMC-vaikutuksesta, Hen sanoi. Ja Miller, joka työskenteli Henin kanssa joissain keskeisissä tutkimuksissa, suostui.
Mutta kaikki eivät usko, että Henin ryhmässä on ongelma ratkaistu. Ilin Cloët, ydinfyysikko Argonnen kansallisessa laboratoriossa Illinoisissa, sanoi, että hänen mielestään Henin työ tekee johtopäätöksiä, että tiedot eivät täysin tue.
"Mielestäni EMC-vaikutus on edelleen ratkaisematta", Cloët kertoi Live Science: lle. Tämä johtuu siitä, että ydinfysiikan perusmalli muodostaa jo suuren osan lyhyen kantaman pariliitoksesta, jota Hen kuvaa. Silti "jos yrität tarkastella EMC-vaikutusta tuolla mallilla, et kuvaa EMC-vaikutusta. EMC-vaikutuksesta ei ole onnistunutta selitystä kyseisen kehyksen avulla. Joten mielestäni siellä on edelleen mysteeri."
Hen ja hänen yhteistyökumppaninsa tekevät kokeellista työtä, joka on "rohkeaa" ja "erittäin hyvää tiedettä", hän sanoi. Mutta se ei ratkaise täysin ydinongelmaa.
"On selvää, että perinteinen ydinfysiikan malli ei voi selittää tätä EMC-vaikutusta", hän sanoi. "Katsomme nyt, että selityksen on oltava peräisin itse QCD: ltä."
QCD tarkoittaa kvantikromodynamiikkaa - sääntöjärjestelmä, joka hallitsee kvarkkien käyttäytymistä. Siirtyminen ydinfysiikasta QCD: hen on vähän kuin tarkastellaan samaa kuvaa kahdesti: kerran ensimmäisen sukupolven flip-puhelimella - se on ydinfysiikka - ja sitten taas korkearesoluutioisella televisiolla - se on kvantikromodynamiikka. Korkearesoluutioinen televisio tarjoaa paljon yksityiskohtaisempaa, mutta sen rakentaminen on paljon monimutkaisempaa.
Ongelmana on, että kaikkia ytimen kvarkeja kuvaavat täydelliset QCD-yhtälöt ovat liian vaikeita ratkaista, Cloët ja Hen sanoivat. Nykyaikaiset supertietokoneet ovat noin 100 vuoden päässä tarpeeksi nopeista tehtävään, Cloët arvioi. Ja vaikka supertietokoneet olisivatkin riittävän nopeita tänään, yhtälöt eivät ole edenneet niin pitkälle, että voisit kytkeä ne tietokoneeseen, hän sanoi.
Hän sanoi kuitenkin, että on mahdollista työskennellä QCD: n kanssa vastaamaan joihinkin kysymyksiin. Ja nyt, hän sanoi, nuo vastaukset tarjoavat erilaisen selityksen EMC-vaikutukselle: Ydinkeskipisteteoria.
Hän on eri mieltä siitä, että 20% ytimen nukleoneista on sitoutunut lyhyen kantaman korrelaatioihin. Kokeet eivät vain todista sitä, hän sanoi. Ja ideassa on teoreettisia ongelmia.
Tämä viittaa siihen, että tarvitsemme erilaista mallia, hän sanoi.
"Minun kuvani on, että tiedämme, että ytimen sisällä ovat nämä erittäin vahvat ydinvoimat", Cloët sanoi. Nämä ovat "vähän kuin sähkömagneettiset kentät, paitsi että ne ovat voimakkaita voimakenttiä".
Kentät toimivat niin pienillä etäisyyksillä, että ne ovat merkityksettömiä ytimen ulkopuolella, mutta ne ovat voimakkaita sen sisällä.
Cloët-mallin mukaan nämä voimakentät, joita hän kutsuu "keskikentiksi" (niiden yhdistetyn lujuuden vuoksi), todella muuttavat protonien, neutronien ja pionien sisäistä rakennetta (eräänlainen vahvaa voimaa kantava hiukkanen).
"Aivan kuten jos otat atomin ja laitat sen vahvan magneettikentän sisään, muutat atomin sisäistä rakennetta", Cloët sanoi.
Toisin sanoen keskikentän teoreetikot ajattelevat, että Henin kuvaaman suljetun huoneen seinissä on reikiä, ja tuuli puhaltaa läpi kvarkien ympärille ja venyttää niitä.
Cloët myönsi, että mahdolliset lyhyen kantaman korrelaatiot selittävät todennäköisesti jonkin osan EMC-vaikutuksesta, ja Henin mukaan keskipistekentät todennäköisesti pelaavat myös roolia.
"Kysymys on, mikä hallitsee", Cloët sanoi.
Miller, joka on myös tehnyt laajaa yhteistyötä Cloëtin kanssa, sanoi, että keskikentän etuna on se, että se on teoriassa perusteellisempi. Mutta Cloët ei ole vielä tehnyt kaikkia tarvittavia laskelmia, hän sanoi.
Ja tällä hetkellä kokeellisen näytön paino viittaa siihen, että Henillä on parempi väite.
Hen ja Cloët sanoivat, että lähivuosien kokeilujen tulokset voisivat ratkaista kysymyksen. Hen viittasi Virginiassa Jefferson National Accelerator -laitoksessa meneillään olevaan kokeiluun, joka siirtää nukleoneja lähemmäksi toisiaan vähitellen ja antaa tutkijoiden mahdollisuuden seurata niiden muutosta. Cloët kertoi haluavansa nähdä "polarisoidun EMC-kokeen", joka hajottaisi vaikutuksen kyseessä olevien protonien spiniin (kvanttiominaisuus) perustuen. Se saattaa paljastaa näkymättömiä yksityiskohtia vaikutuksista, jotka voisivat auttaa laskelmia, hän sanoi.
Kaikki kolme tutkijaa korostivat, että keskustelu on ystävällistä.
"Se on hienoa, koska se tarkoittaa, että edistymme edelleen", Miller sanoi. "Lopulta jotain tulee olemaan oppikirjassa ja pallopeli on ohitse. Se, että on olemassa kaksi kilpailevaa ideaa, tarkoittaa, että se on jännittävä ja elinvoimainen. Ja nyt meillä on viimeinkin kokeelliset työkalut näiden ongelmien ratkaisemiseksi."
