Ето една загадъчна истина, която учените знаят от 1983 г.: Протоните и неутроните действат различно, когато са вътре в атом, срещу свободно плаващи в пространството. По-конкретно, субатомните частици, които съставят онези протони и неутрони, наречени кварки, забавят масово, след като са ограничени до ядро в атом.
Физиците наистина не харесват това, защото неутроните са неутрони независимо дали са в атом или не. А протоните са протони. И протоните, и неутроните (които заедно съставляват класа от частици, наречени "нуклони") са съставени от три по-малки частици, наречени кварки, свързани заедно от силната сила.
"Когато поставите кварки в ядро, те започват да се движат по-бавно и това е много странно", каза съавторът на изследването Или Хен, физик от Масачузетския технологичен институт. Това е странно, защото мощните взаимодействия между кварките определят главно скоростта им, докато силите, които свързват ядрото (и също така действат на кваркове вътре в ядрото), се предполага, че са много слаби, добави Хен.
И няма друга известна сила, която би трябвало толкова интензивно да променя поведението на кваркове в ядро. И все пак ефектът остава: физиците на частици го наричат ЕМС ефектът, наречен за Европейското мюонно сътрудничество - групата, която го е открила. И доскоро учените не бяха сигурни какво го е причинило.
Две частици в ядро обикновено се изтеглят заедно със сила от около 8 милиона електронни волта (8 MeV), което е мярка за енергия в частици. Кварки в протон или неутрон са свързани заедно с около 1000 MeV. Така че няма смисъл, че сравнително леките взаимодействия на ядрото влияят драматично на мощните взаимодействия вътре в кварките, каза Хен пред Live Science.
"Какво е осем до 1000?" той каза.
Но EMC ефектът не изглежда като леко натискане от страна на външната сила. Въпреки че варира от един вид ядро до следващия, "Не е като половин процент. Ефектът изскача от данните, след като сте достатъчно креативни, за да проектирате експеримент, за да го потърсите", каза Хен.
В зависимост от засегнатото ядро, видимият размер на нуклоните (което е функция на скоростта им) може да се промени с 10 до 20 процента. В златно ядро например протоните и неутроните са с 20 процента по-малки, отколкото са, когато те плават свободно.
Теоретиците измислиха много различни модели, за да обяснят какво става тук, каза Хен.
„Един мой приятел се пошегува, че EMC означава„ Моделът на всички е готин “, защото всеки модел изглежда сякаш може да го обясни“, каза той.
Но с течение на времето физиците направиха повече експерименти, тествайки тези различни модели и един след друг отпаднаха.
„Никой не можеше да обясни всички данни и ние останахме с голям пъзел. В момента имаме много данни, измервания как се движат кварките във всички видове различни ядра и не можахме да обясним какво става ," той каза.
Вместо да се опитат да обяснят целия пъзел наведнъж, Хен и неговите колеги решиха да разгледат само един специален случай на взаимодействие на неутрони и протони.
При повечето обстоятелства протоните и неутроните в ядрото не се припокриват един с друг, вместо да спазват границите на един друг, въпреки че всъщност са просто системи от свързани кварки. Но понякога нуклоните се свързват в рамките на съществуващото ядро и започват да се припокриват физически едно с друго, превръщайки се в това, което учените наричат „свързани двойки“. Във всеки момент около 20 процента от нуклеоните в ядрото се припокриват по този начин.
Когато това се случи, огромни количества енергия протичат сред кварките, променяйки съществено тяхната структура и поведение - явление, причинено от силната сила. В документ, публикуван на 20 февруари в списанието Nature, изследователите твърдят, че този енергиен поток точно отчита ефекта на ЕМС.
Екипът бомбардира много различни ядра с електрони и откри директна връзка между тези нуклеонови двойки и EMC ефекта.
Техните данни категорично подсказват, казва Хен, че кварците в повечето нуклони изобщо не се променят, когато влязат в ядро. Но онези малко, които участват в нуклеонови двойки, променят поведението си толкова драматично, че изкривяват средните резултати при всеки експеримент. Това, че много кварки, събрани в такова малко пространство, предизвикват драматични силни ефекти на сила. ЕМС ефектът е резултат от само по-малка част от аномалиите, а не от промяна в поведението на всички протони и неутрони.
От данните екипът изведе математическа функция, която точно описва как ЕМС ефектът се държи от едно ядро до друго.
„Те направиха прогноза и тяхното прогнозиране беше повече или по-малко потвърдено“, казва Джералд Фелдман, физик от университета Джордж Вашингтон, който написа съпътстваща статия News & Views в същия брой на Nature, но не участва в изследванията.
Това е сериозно доказателство, че този ефект на сдвояване е истинският отговор на мистерията на EMC, каза Фелдман пред Live Science.
След 35 години физиците на частици изглежда са решили този проблем с твърде много неподходящи решения. Хен каза, че той и неговите колеги вече имат планирани последващи експерименти, за да проучат проблема още по-задълбочено и да разкрият нови неизвестни истини за поведението на сдвоени нуклеони вътре в атомите.
