Никой наистина не знае какво се случва вътре в един атом. Но две конкуриращи се групи учени смятат, че са го разбрали. И двамата се надпреварват, за да докажат, че собствената им визия е правилна.
Ето какво знаем със сигурност: Електроните свирят около "орбитали" във външната обвивка на атома. След това има цяло много празно пространство. И тогава, точно в центъра на това пространство, има мъничко ядро - плътен възел от протони и неутрони, които дават на атома по-голямата част от неговата маса. Тези протони и неутрони се струпват заедно, обвързани от това, което се нарича силната сила. И броят на тези протони и неутрони определя дали атомът е желязо или кислород или ксенон и дали е радиоактивен или стабилен.
Все пак никой не знае как тези протони и неутрони (известни заедно като нуклони) се държат вътре в един атом. Извън атом протоните и неутроните имат определени размери и форми. Всеки от тях е съставен от три по-малки частици, наречени кварки, и взаимодействията между тези кварки са толкова интензивни, че нито една външна сила не би могла да ги деформира, дори и мощните сили между частиците в ядрото. Но от десетилетия изследователите знаят, че теорията по някакъв начин е погрешна. Експериментите показват, че вътре в ядрото протоните и неутроните изглеждат много по-големи, отколкото трябва да бъдат. Физиците са разработили две конкурентни теории, които се опитват да обяснят това странно несъответствие, а привържениците на всяка от тях са съвсем сигурни, че другото е неправилно. И двата лагера са съгласни обаче, че какъвто и да е правилният отговор, той трябва да идва от поле, извън техните собствени.
От поне 40-те години на миналия век физиците са знаели, че нуклоните се движат в малки тесни орбитали в ядрото, заяви Джералд Милър, ядрен физик от Университета във Вашингтон, пред Live Science. Нуклеоните, затворени в движенията си, имат много малко енергия. Те не отскачат много, сдържани от силната сила.
През 1983 г. физиците от Европейската организация за ядрени изследвания (CERN) забелязали нещо странно: Електронните лъчи отскочили от желязо по начин, който е много различен от начина, по който отскачали от свободните протони, каза Милър. Това беше неочаквано; ако протоните вътре във водорода бяха със същия размер като протоните вътре в желязото, електроните трябваше да отскочат по почти същия начин.
В началото изследователите не знаеха какво гледат.
Но с течение на времето учените започнаха да смятат, че това е проблем с размера. По някаква причина протоните и неутроните вътре в тежки ядра действат така, сякаш са много по-големи, отколкото когато са извън ядрата. Изследователите наричат това явление ефектът на ЕМС, след Европейското мюонно сътрудничество - групата, която случайно го е открила. Нарушава съществуващите теории на ядрената физика.
Или Хен, ядрен физик в MIT, има идея, която потенциално би могла да обясни какво се случва.
Докато кварците, субатомните частици, които съставят нуклони, силно взаимодействат в рамките на даден протон или неутрон, кваркове в различни протони и неутрони не могат да взаимодействат много помежду си, каза той. Силната сила вътре в нуклона е толкова силна, че затъмнява силната сила, която държи нуклоните към други нуклони.
"Представете си как седите в стаята си и разговаряте с двама свои приятели със затворени прозорци", каза Хен.
Триото в стаята са три кварка вътре в неутрон или протон.
"Отвън духа лек бриз", каза той.
Този лек бриз е силата, която държи протона или неутрона до близките нуклони, които са "извън" прозореца. Дори ако малко се промъкне през затворения прозорец, каза Хен, едва ли ще те засегне.
И докато нуклоните остават в орбиталите си, това е така. Въпреки това той каза, че последните експерименти показват, че във всеки един момент около 20% от нуклеоните в дадено ядро всъщност са извън техните орбитали. Вместо това те са сдвоени с други нуклони, взаимодействащи в "корелации на къси разстояния." При тези обстоятелства взаимодействията между нуклоните са много по-високо енергийни от обикновено, каза той. Това е така, защото кварците пробиват през стените на техните отделни нуклони и започват директно да си взаимодействат, а тези взаимодействия на кварк-кварк са много по-мощни от нуклеон-нуклеонните взаимодействия.
Тези взаимодействия разрушават стените, разделящи кваркове вътре в отделни протони или неутрони, каза Хен. Кварките, съставляващи един протон, и кварките, съставящи друг протон, започват да заемат същото пространство. Това кара протоните (или неутроните, според случая) да се разтягат и замъгляват, каза Хен. Те растат много, макар и за много кратки периоди от време. Това изкривява средния размер на цялата кохорта в ядрото - произвежда EMC ефекта.
Повечето физици сега приемат тази интерпретация на ефекта на ЕМС, каза Хен. И Милър, който работи с Хен по някои от ключовите изследвания, се съгласи.
Но не всички смятат, че в групата на Хен има проблемът. Иън Клойт, ядрен физик от Националната лаборатория Аргон в Илинойс, заяви, че според него работата на Хен прави заключения, че данните не подкрепят напълно.
"Мисля, че ефектът на ЕМС все още е нерешен", каза Клойт пред Live Science. Това е така, защото основният модел на ядрената физика вече представлява голяма част от сдвояването на къси разстояния, което Хен описва. И все пак, "ако използвате този модел, за да опитате да разгледате ЕМС ефекта, няма да опишете ЕМС ефекта. Няма успешно обяснение на ЕМС ефекта, използвайки тази рамка. Така че, според мен, все още има загадка."
Хен и неговите сътрудници вършат експериментална работа, която е "доблестна" и "много добра наука", каза той. Но това не решава напълно проблема с атомното ядро.
"Ясното е, че традиционният модел на ядрената физика ... не може да обясни този ефект на ЕМС", каза той. "Сега смятаме, че обяснението трябва да идва от самия QCD."
QCD означава квантова хромодинамика - системата от правила, които управляват поведението на кваркове. Преминаването от ядрена физика към QCD е малко като да се погледне една и съща картина два пъти: веднъж на телефон от първо поколение - това е ядрена физика - и след това отново на телевизор с висока резолюция - това е квантовата хромодинамика. Телевизорът с висока разделителна способност предлага много повече детайли, но е много по-сложен за изграждане.
Проблемът е, че пълните QCD уравнения, описващи всички кварки в ядро, са твърде трудни за разрешаване, казаха Cloët и Hen. Съвременните суперкомпютри са на около 100 години от това да бъдат достатъчно бързи за изпълнението на задачата, изчисли Cloët. И дори ако суперкомпютрите бяха достатъчно бързи днес, уравненията не са напреднали до момента, в който можете да ги включите в компютър, каза той.
Все пак, каза той, е възможно да се работи с QCD, за да се отговори на някои въпроси. И точно сега, каза той, тези отговори предлагат различно обяснение за ефекта на ЕМС: Теория на ядреното средно поле.
Той не е съгласен, че 20% от нуклеоните в ядро са свързани в корелации в къси разстояния. Експериментите просто не доказват това, каза той. И има теоретични проблеми с идеята.
Това предполага, че се нуждаем от различен модел, каза той.
"Картината, която имам, е, че знаем, че вътре в ядрото са тези много силни ядрени сили", каза Клойт. Това са „малко като електромагнитни полета, с изключение на това, че са силни силови полета“.
Полетата действат на толкова малки разстояния, че са с незначителна величина извън ядрото, но са мощни вътре в него.
В модела на Cloët тези силови полета, които той нарича "средни полета" (за комбинираната сила, които носят), всъщност деформират вътрешната структура на протони, неутрони и пиони (вид силна частица, носеща сила).
"Точно както ако вземете атом и го поставите вътре в силно магнитно поле, вие ще промените вътрешната структура на този атом", каза Клойт.
С други думи, теоретиците на средното поле смятат, че описаната от Хена зала има дупки в стените й и вятърът духа, за да събори кварците наоколо, разтягайки ги.
Cloët призна, че е възможно, че корелациите в къси разстояния вероятно обясняват част от ефекта на ЕМС, а Хен каза, че средните полета вероятно също играят роля.
„Въпросът е кой доминира“, каза Клойт.
Милър, който също работи широко с Cloët, каза, че средното поле има предимството да бъде по-добре обосновано на теория. Но Cloët все още не е направил всички необходими изчисления, каза той.
И точно сега тежестта на експерименталните доказателства предполага, че Хен има по-доброто от спора.
Хен и Клойт заявиха, че резултатите от експериментите през следващите няколко години могат да разрешат въпроса. Хен цитира експеримент, който се провежда в Националния инструмент за ускоряване на Джеферсън във Вирджиния, който ще премести нуклеоните по-близо, малко по малко и ще позволи на изследователите да наблюдават как се променят. Cloët каза, че иска да види „поляризиран ЕМС експеримент“, който би разчупил ефекта въз основа на въртенето (квантов белег) на участващите протони. Той може да разкрие невиждани подробности за ефекта, който може да помогне за изчисленията, каза той.
И тримата изследователи подчертаха, че дебатът е приятелски настроен.
„Страхотно е, защото означава, че все още напредваме“, каза Милър. "В крайна сметка нещо ще има в учебника и играта с топка приключи ... Фактът, че има две конкуриращи се идеи, означава, че е вълнуващо и жизнено. И сега най-накрая разполагаме с експерименталните инструменти за разрешаване на тези проблеми."
