Ніхто насправді не знає, що відбувається всередині атома. Але дві конкуруючі групи вчених думають, що вони це зрозуміли. І обидва гоняться, щоб довести, що їх власне бачення правильне.
Ось що ми точно знаємо: Електрони свистять навколо "орбіталей" у зовнішній оболонці атома. Тоді є ціла купа порожнього місця. А потім, прямо в центрі цього простору, є крихітне ядро - щільний вузол протонів і нейтронів, який дає атому більшу частину його маси. Ці протони та нейтрони скупчуються разом, пов'язані тим, що називається сильною силою. А кількість цих протонів і нейтронів визначає, чи є атом залізом, киснем чи ксеноном, і чи є він радіоактивним чи стабільним.
Проте ніхто не знає, як ті протони та нейтрони (разом відомі як нуклони) поводяться всередині атома. Поза атомом протони та нейтрони мають певні розміри та форми. Кожен з них складається з трьох менших частинок, званих кварками, і взаємодія між цими кварками настільки інтенсивна, що жодна зовнішня сила не зможе їх деформувати, навіть потужні сили між частинками в ядрі. Але десятиліттями дослідники знали, що теорія певним чином неправильна. Експерименти показали, що всередині ядра протони та нейтрони виявляються набагато більшими, ніж повинні бути. Фізики розробили дві конкуруючі теорії, які намагаються пояснити, що це дивна невідповідність, і прихильники кожної людини цілком впевнені, що інша невірна. Обидва табори погоджуються, однак, що незалежно від правильної відповіді, вона повинна виходити з поля поза їх власним.
Починаючи з принаймні 40-х років, фізикам відомо, що нуклони рухаються по маленьких тісних орбіталях всередині ядра, Джеральд Міллер, ядерний фізик з Вашингтонського університету, розповів Live Science. Нуклони, обмежені в своїх рухах, мають дуже мало енергії. Вони сильно не підстрибують, стримувані сильною силою.
У 1983 році фізики Європейської організації ядерних досліджень (CERN) помітили щось дивне: промені електронів відскакували від заліза таким чином, що сильно відрізнявся від того, як вони відскакували від вільних протонів, сказав Міллер. Це було несподівано; якби протони всередині водню були такого ж розміру, як протони всередині заліза, електрони мали б відскочити приблизно так само.
Спочатку дослідники не знали, на що вони дивляться.
Але з часом вчені повірили, що це питання розміру. Чомусь протони і нейтрони всередині важких ядер діють так, ніби їх набагато більше, ніж коли вони знаходяться поза ядрами. Дослідники називають це явище ефектом ЕМС, після Європейської муонної співпраці - групи, яка випадково виявила його. Це порушує існуючі теорії ядерної фізики.
Або Хен, ядерний фізик MIT, має ідею, яка потенційно може пояснити, що відбувається.
У той час, як кварки, субатомні частинки, що складають нуклони, сильно взаємодіють всередині заданого протона чи нейтрона, кварки в різних протонах і нейтронах не можуть сильно взаємодіяти один з одним, сказав він. Сильна сила всередині нуклона настільки сильна, що затемнює сильну силу, що тримає нуклони до інших нуклонів.
"Уявіть собі, як сидите у своїй кімнаті, розмовляючи з двома вашими друзями із закритими вікнами", - сказав Хен.
Тріо в кімнаті - три кварки всередині нейтрона або протона.
"Назовні дме легкий вітер", - сказав він.
Цей легкий вітерець - це сила, яка тримає протон або нейтрон до розташованих поруч нуклонів, які знаходяться "поза" вікна. Навіть якщо трохи прокрастися через закрите вікно, сказав Хен, це ледь не вплине на вас.
І поки нуклони залишаються на своїх орбіталях, це так. Однак, за його словами, останні експерименти показали, що в будь-який момент часу приблизно 20% нуклонів ядра насправді знаходяться поза їх орбіталями. Натомість вони поєднуються з іншими нуклонами, взаємодіючи в "кореляціях короткого діапазону". За таких обставин взаємодія між нуклонами набагато енергетичніша, ніж зазвичай, сказав він. Це тому, що кварки проштовхуються крізь стінки своїх окремих нуклонів і починають безпосередньо взаємодіяти, і ці взаємодії кварків-кварків набагато потужніші, ніж нуклон-нуклонові взаємодії.
Ці взаємодії розбивають стіни, розділяючи кварки всередині окремих протонів або нейтронів, сказав Хен. Кварки, що складаються з одного протона, і кварки, що складають інший протон, починають займати той же простір. Це змушує протони (або нейтрони, залежно від випадку) розтягуватися і розмиватися, сказав Хен. Вони багато ростуть, хоча і за дуже короткий проміжок часу. Це перекручує середній розмір всієї когорти в ядрі - створюючи ефект ЕМС.
Зараз більшість фізиків приймають цю інтерпретацію ефекту ЕМС, заявив Хен. І Міллер, який працював з Хеном над деякими ключовими дослідженнями, погодився.
Але не всі вважають, що у групи Хена проблема розроблена. Ian Cloët, ядерний фізик з Національної лабораторії Аргонна в штаті Іллінойс, заявив, що вважає, що робота Хена робить висновки про те, що дані не повністю підтримують.
"Я думаю, що ефект ЕМС досі не вирішений", - сказав Клоєт Live Science. Це тому, що на базову модель ядерної фізики вже припадає багато описує Хен. Тим не менше, "якщо ви використовуєте цю модель для того, щоб спробувати переглянути ЕМС ефект, ви не опишете ефект ЕМС. Немає успішного пояснення ефекту ЕМС за допомогою цієї рамки. Тож, на мою думку, досі залишається загадка".
Хен та його співробітники проводять експериментальну роботу, яка є "доблесною" та "дуже хорошою наукою", - сказав він. Але це не повністю вирішує проблему атомного ядра.
"Ясно, що традиційна модель ядерної фізики ... не може пояснити цей ефект ЕМС", - сказав він. "Ми вважаємо, що пояснення повинні надходити від самого КХД".
QCD розшифровується як квантова хромодинаміка - система правил, що регулюють поведінку кварків. Перехід від ядерної фізики до QCD трохи схожий на перегляд однієї і тієї ж картини двічі: один раз на перевернутий телефон першого покоління - це ядерна фізика - а потім знову на телевізор високої роздільної здатності - це квантова хромодинаміка. Телевізор високої роздільної здатності пропонує набагато більше деталей, але це набагато складніше.
Проблема полягає в тому, що повноцінні рівняння QCD, що описують усі кварки в ядрі, занадто важко вирішити, Клоет і Хен. Сучасні суперкомп'ютери знаходяться приблизно за 100 років від того, щоб бути досить швидкими для виконання завдання, підрахував Клоет. І навіть якщо суперкомп'ютери сьогодні були досить швидкими, рівняння не просунулися до того моменту, коли ви могли б підключити їх до комп'ютера, сказав він.
Проте, за його словами, з QCD можна відповісти на деякі запитання. І зараз, за його словами, ці відповіді пропонують інше пояснення ефекту ЕМС: Теорія ядерного середнього поля.
Він не погоджується з тим, що 20% нуклонів у ядрі пов'язані в кореляціях короткого діапазону. Експерименти просто не доводять цього, сказав він. І з ідеєю є теоретичні проблеми.
Це говорить про те, що нам потрібна інша модель, сказав він.
"Малюнок, який у мене є, ми знаємо, що всередині ядра знаходяться ці дуже сильні ядерні сили", - сказав Клоет. Це "трохи схожі на електромагнітні поля, за винятком сильних силових полів".
Поля діють на таких невеликих відстанях, що вони мають незначну величину поза ядром, але вони всередині нього потужні.
У моделі Клоте ці силові поля, які він називає "середні поля" (за комбінованою силою, яку вони несуть), фактично деформують внутрішню структуру протонів, нейтронів та піонів (тип сильної частинки, що переносить силу).
"Як і якщо ви візьмете атом і помістите його всередину сильного магнітного поля, ви зміните внутрішню структуру цього атома", - сказав Клоет.
Іншими словами, теоретики середнього поля вважають, що описана у закритій кімнаті Хен має отвори в стінах, і вітер дме, щоб стукати кварки навколо, розтягуючи їх.
Клоє визнав, що можливі кореляції короткого діапазону, ймовірно, пояснюють деяку частину ефекту ЕМС, і Хен сказав, що середні поля, ймовірно, також грають певну роль.
"Питання в тому, що домінує", - сказав Клоет.
Міллер, який також активно працював з Cloët, сказав, що середнє поле має перевагу в тому, щоб бути більш обґрунтованим в теорії. Але Клот ще не зробив усіх необхідних розрахунків, сказав він.
І зараз маса експериментальних доказів говорить про те, що Хен має кращі аргументи.
Хен і Клоєт сказали, що результати експериментів у найближчі кілька років можуть вирішити це питання. Хен посилається на експеримент, який проводиться в Національному прискорювальному закладі Джефферсона у Вірджинії, який перемістить нуклони ближче один до одного, і дозволить дослідникам спостерігати, як вони змінюються. Клоєт заявив, що хоче побачити "поляризований експеримент ЕМС", який би розбив ефект на основі спина (квантової ознаки) залучених протонів. Він може виявити небачені подробиці ефекту, який може сприяти розрахункам, сказав він.
Усі три дослідники підкреслили, що дебати є дружніми.
"Це чудово, тому що це означає, що ми все ще прогресуємо", - сказав Міллер. "Зрештою, щось станеться в підручнику, і гра з м'ячем закінчилася ... Те, що є дві змагаються ідеї, означає, що це захоплююче і яскраво. І ось, нарешті, у нас є експериментальні інструменти для вирішення цих питань".
