Ось таємнича правда, яку вчені знають з 1983 року: протони та нейтрони діють по-різному, коли вони знаходяться всередині атома, проти того, що вільно пливуть через космос. Зокрема, субатомні частинки, що складають ці протони та нейтрони, звані кварками, масово сповільнюються, коли вони обмежені ядром в атомі.
Фізикам це справді не сподобалось, тому що нейтрони є нейтронами, чи є вони в атомі, чи ні. А протони - протони. І протони, і нейтрони (які разом складають клас частинок, званих "нуклонами") складаються з трьох менших частинок, званих кварками, пов'язаних між собою сильною силою.
"Коли ви кладете кварки в ядро, вони починають рухатися повільніше, і це дуже дивно", - сказав співавтор дослідження Або Хен, фізик Массачусетського технологічного інституту. Це дивно, тому що потужні взаємодії між кварками визначають в основному їх швидкість, тоді як сили, які зв'язують ядро (а також діють на кварки всередині ядра), повинні бути дуже слабкими, додав Хен.
І немає жодної іншої відомої сили, яка повинна так інтенсивно змінювати поведінку кварків у ядрі. Але ефект залишається: фізики частинок називають це ЕМС-ефектом, названим групою European Muon Collaboration, групою, яка його виявила. І донедавна вчені не були впевнені, що це спричинило.
Дві частинки в ядрі, як правило, стискаються разом силою близько 8 мільйонів вольт електронів (8 МеВ), мірою енергії в частинках. Кварки в протоні чи нейтроні пов'язані між собою приблизно 1000 МеВ. Тому немає сенсу, що порівняно м'які взаємодії ядра різко впливають на потужні взаємодії всередині кварків, заявив Хен в Live Science.
"Що вісім поряд із 1000?" він сказав.
Але ефект ЕМС не схожий на легкий поштовх з боку зовнішньої сили. Хоча воно варіюється від одного виду ядра до іншого, "Це не так, як піввідсотка. Ефект вискакує з даних, як тільки ви будете достатньо креативними, щоб створити експеримент, щоб його шукати", - сказав Хен.
Залежно від залученого ядра видимий розмір нуклонів (що залежить від їх швидкості) може змінюватися на 10-20 відсотків. Наприклад, у золотому ядрі протонів та нейтронів на 20 відсотків менше, ніж вони є, коли вони вільно пливуть.
Теоретики придумали безліч різних моделей, щоб пояснити, що тут відбувається, сказав Хен.
"Моя подруга пожартувала, що EMC розшифровується як" модель у всіх крута ", тому що кожна модель здавалася, що це може пояснити", - сказав він.
Але з часом фізики робили більше експериментів, випробовуючи ці різні моделі, і одна за одною відпадали.
"Ніхто не міг пояснити всі дані, і нам залишилася велика головоломка. У нас зараз багато даних, вимірювань того, як рухаються кварки всередині різних ядер, і ми не могли пояснити, що відбувається ," він сказав.
Замість того, щоб намагатися пояснити всю загадку відразу, Хен та його колеги вирішили подивитися лише один особливий випадок взаємодії нейтронів та протонів.
За більшості обставин протони та нейтрони в ядрі не перетинаються один з одним, а замість того, щоб поважати межі один одного - навіть якщо вони насправді є лише системами зв'язаних кварків. Але іноді нуклони з’єднуються між собою в межах наявного ядра і починають коротко, фізично перегукуватися між собою, стаючи тим, що вчені називають «співвідносяними парами». У будь-який момент приблизно 20 відсотків нуклонів у ядрі перекриваються таким чином.
Коли це відбувається, величезна кількість енергії протікає серед кварків, кардинально змінюючи їх зв'язану структуру та поведінку - явище, викликане сильною силою. У праці, опублікованій 20 лютого в журналі Nature, дослідники стверджували, що саме цей потік енергії пояснює ефект ЕМС.
Команда бомбардувала електронами багато різних ядер і виявила прямий зв’язок між цими парами нуклонів та ефектом ЕМС.
Їх дані наголошують, зазначає Хен, що кварки у більшості нуклонів взагалі не змінюються, коли вони потрапляють у ядро. Але ті, хто бере участь у нуклонових парах, змінюють свою поведінку настільки різко, що вони перекошують середні результати в будь-якому експерименті. Те, що багато кварків, запакованих на такий невеликий простір, викликає драматичні сильні наслідки. Ефект ЕМС є наслідком лише меншості аномалій, а не зміни поведінки всіх протонів та нейтронів.
З даних, команда отримала математичну функцію, яка точно описує, як поводиться ЕМС-ефект від одного ядра до іншого.
"Вони зробили передбачення, і їх передбачення було більш-менш підтверджене", - сказав Джеральд Фельдман, фізик з університету Джорджа Вашингтона, який написав супровідну статтю News & Views в тому ж номері Nature, але не брав участі в дослідженнях.
Це є вагомим доказом того, що цей ефект сполучення є реальною відповіддю на таємницю ЕМС, розповів Фельдман Live Science.
Через 35 років фізики частинок, здається, вирішили цю проблему із занадто великою кількістю непоганих рішень. Хен заявив, що він та його колеги вже планують подальші експерименти, які планують ще глибше вивчити проблему та розкрити нові невідомі істини щодо поведінки парних нуклонів всередині атомів.
