Tässä on salaperäinen totuus, jonka tutkijat ovat tunnoneet vuodesta 1983: Protonit ja neutronit toimivat eri tavalla, kun ne ovat atomin sisällä, verrattuna vapaasti kelluviin avaruuden läpi. Tarkemmin sanottuna ne protonit ja neutronit muodostavat subatomiset hiukkaset, joita kutsutaan kvarkeiksi, hidastuvat massiivisesti, kun ne ovat rajoittuneet atomin ytimeen.
Fyysikot eivät todellakaan pitäneet tästä, koska neutronit ovat neutroneja riippumatta siitä ovatko ne atomin sisällä vai eivät. Ja protonit ovat protoneja. Sekä protonit että neutronit (jotka yhdessä muodostavat luokan hiukkasiksi, joita kutsutaan "nukleoneiksi") koostuvat kolmesta pienemmästä hiukkasesta, nimeltään kvarkeista, jotka on sidottu yhteen voimakkaan voiman avulla.
"Kun laitat kvarkkeja ytimeen, ne alkavat liikkua hitaammin, ja se on hyvin outoa", sanoi tutkimuksen avustaja Or Hen, fyysikko Massachusetts Institute of Technology. Se on outoa, koska kvarkkien väliset voimakkaat vuorovaikutukset määräävät pääasiassa niiden nopeuden, kun taas ytimen sitovien voimien (jotka vaikuttavat myös ytimen sisäisiin kvarkeihin) oletetaan olevan erittäin heikkoja, Hen lisäsi.
Ja ei ole muuta tunnettua voimaa, jonka pitäisi muuttaa kvarkkien käyttäytymistä ytimessä niin voimakkaasti. Silti vaikutus säilyy: hiukkasfyysikot kutsuvat sitä EMC-efektiksi, joka nimettiin European Muon Collaboration -ryhmään, joka löysi sen. Ja viime aikoihin asti tutkijat eivät olleet varmoja, mikä sen aiheutti.
Kaksi ytimen hiukkasta vedetään tyypillisesti yhteen noin 8 miljoonan elektronisen voltin (8 MeV) voimalla, mikä on hiukkasten energian mitta. Protonin tai neutronin kvarkeja sitoo yhteen noin 1 000 MeV. Joten ei ole järkeä, että ytimen suhteellisen lievät vuorovaikutukset vaikuttavat dramaattisesti kvarkkien voimakkaaseen vuorovaikutukseen, Hen kertoi Live Sciencelle.
"Mikä on kahdeksan 1000 vieressä?" hän sanoi.
Mutta EMC-vaikutus ei näytä lievältä ulkonäöltä ulkopuolelta. Vaikka se vaihtelee ydintyypistä toiseen, "Se ei ole kuin puoli prosenttia. Vaikutus tulee esiin tiedoista, kun olet riittävän luova suunnittelemaan koe etsimään sitä", Hen sanoi.
Osallistuvasta ytimestä riippuen nukleonien näennäinen koko (mikä on niiden nopeuden funktio) voi muuttua 10 - 20 prosenttia. Esimerkiksi kultatuumassa protonit ja neutronit ovat 20 prosenttia pienemmät kuin ne ovat, kun ne kelluvat vapaasti.
Teoreetikot keksivat paljon erilaisia malleja selittämään, mitä täällä tapahtui, Hen kertoi.
"Ystäväni vitsaili, että EMC vastasi" Everybody's Model is Cool ", koska kaikki mallit näyttivät selittävän sen", hän sanoi.
Mutta ajan myötä fyysikot tekivät lisää kokeita, testaten näitä erilaisia malleja, ja kaatuneet peräkkäin.
"Kukaan ei pystynyt selittämään kaikkia tietoja, ja meillä jäi iso palapeli. Meillä on nyt paljon tietoa, mittauksia siitä, kuinka kvarkit liikkuvat kaikenlaisten erilaisten ytimien sisällä, emmekä voineet selittää mitä tapahtui ," hän sanoi.
Sen sijaan, että yrittäisi selittää kaikkia palapelit kerralla, Hen ja hänen kollegansa päättivät tarkastella vain yhtä erityistä tapausta neutronien ja protonien vuorovaikutuksesta.
Useimmissa olosuhteissa protonit ja neutronit ytimessä eivät ole päällekkäin toistensa kanssa, vaan kunnioittavat toistensa rajoja - vaikka ne ovatkin vain sitoutuneiden kvarkkien järjestelmiä. Mutta joskus nukleonit kytkeytyvät toisiinsa olemassa olevassa ytimessä ja alkavat hetkellisesti, fyysisesti limittyä toistensa kanssa, muuttuen siitä, mitä tutkijat kutsuvat ”korreloiviksi pareiksi”. Milloin tahansa noin 20 prosenttia ytimen nukleoneista on päällekkäin tällä tavalla.
Kun näin tapahtuu, kvarkkien joukkoon virtaa valtavia määriä energiaa, muuttaen perusteellisesti niiden sidottua rakennetta ja käyttäytymistä - vahvan voiman aiheuttama ilmiö. Nature-lehdessä 20. helmikuuta julkaistussa lehdessä tutkijat väittivät, että tämä energiavirta vastaa tarkalleen EMC-vaikutusta.
Ryhmä pommitti paljon erityyppisiä ytimiä elektronien kanssa ja löysi suoran suhteen näiden nukleoniparien ja EMC-vaikutuksen välillä.
Heidän mukaansa heidän tiedot viittaavat vahvasti siihen, että useimpien nukleonien kvarkit eivät muutu ollenkaan, kun he saapuvat ytimeen. Mutta ne harvat, jotka osallistuvat nukleoni pareihin, muuttavat käyttäytymistään niin dramaattisesti, että vääristävät minkä tahansa kokeen keskimääräisiä tuloksia. Se, että monet kvarkit pakataan niin pieneen tilaan, aiheuttaa dramaattisia voimakkaita voimavaikutuksia. EMC-vaikutus johtuu vain pienestä osasta poikkeavuuksia, eikä kaikkien protonien ja neutronien käyttäytymisen muutoksesta.
Tuloksista ryhmä johdetti matemaattisen funktion, joka kuvaa tarkasti, kuinka EMC-vaikutus käyttäytyy ytimestä toiseen.
"He tekivät ennusteen, ja heidän ennusteensa vahvistui enemmän tai vähemmän", sanoi George Washingtonin yliopiston fyysikko Gerald Feldman, joka kirjoitti mukana olevan News & Views -artikkelin samassa Nature-lehdessä, mutta ei ollut mukana tutkimuksessa.
Se on vahvaa näyttöä siitä, että tämä pariliitoksen vaikutus on todellinen vastaus EMC-mysteeriin, Feldman kertoi Live Sciencelle.
35 vuoden kuluttua hiukkasfyysikot näyttävät ratkaissut ongelman liian monilla ei-hyvillä ratkaisuilla. Hen kertoi, että hänellä ja hänen kollegoillaan on jo suunnitteilla jatkokokeita, joiden tarkoituksena on koettaa asia entistä syvemmälle ja paljastaa uusia tuntemattomia totuuksia pariksi muodostuvien parittaisten nukleonien käyttäytymisestä atomien sisällä.
