Nikdo opravdu neví, co se děje uvnitř atomu. Ale dvě konkurenční skupiny vědců si myslí, že na to přišli. A oba závodí, aby dokázali, že jejich vlastní vize je správná.
Tady je to, co víme s jistotou: Elektrony hvízdají kolem „orbitálů“ ve vnějším obalu atomu. Pak je tu spousta prázdného prostoru. A pak, přímo uprostřed tohoto prostoru, je malé jádro - hustý uzel protonů a neutronů, které dávají atomu většinu jeho hmoty. Protony a neutrony se shlukují dohromady, svázané tím, co se nazývá silná síla. A počet těchto protonů a neutronů určuje, zda je atomem železa nebo kyslíku nebo xenonu a zda je radioaktivní nebo stabilní.
Přesto nikdo neví, jak se tyto protony a neutrony (společně známé jako nukleony) chovají uvnitř atomu. Mimo atom mají protony a neutrony určité velikosti a tvary. Každý z nich je složen ze tří menších částic zvaných kvarky a interakce mezi těmito kvarky jsou tak intenzivní, že by žádná vnější síla neměla být schopna je deformovat, ani mocné síly mezi částicemi v jádru. Ale po celá desetiletí vědci věděli, že teorie je nějakým způsobem špatná. Pokusy ukázaly, že uvnitř jádra se protony a neutrony jeví mnohem větší, než by měly být. Fyzici vyvinuli dvě konkurenční teorie, které se snaží vysvětlit, že divný nesoulad, a zastánci každého jsou si zcela jisti, že druhý je nesprávný. Oba tábory se však shodují v tom, že ať už je jakákoli správná odpověď, musí to přijít z pole nad jejich vlastní.
Od přinejmenším čtyřicátých lét, fyzici věděli, že jádra se pohybují v těsných malých orbitálech uvnitř jádra, Gerald Miller, jaderný fyzik na Washingtonské univerzitě, řekl Live Science. Nukleony, omezené ve svých pohybech, mají velmi malou energii. Neohýbají se moc, omezeni silnou silou.
V roce 1983 si fyzici v Evropské organizaci pro jaderný výzkum (CERN) všimli něčeho zvláštního: paprsky elektronů se odrazily od železa způsobem, který byl velmi odlišný od toho, jak odrazili volné protony, řekl Miller. To bylo neočekávané; pokud by protony uvnitř vodíku měly stejnou velikost jako protony uvnitř železa, měly by se elektrony odrazit téměř stejným způsobem.
Zpočátku vědci nevěděli, na co se dívají.
Ale postupem času vědci věřili, že se jedná o problém velikosti. Z nějakého důvodu protony a neutrony uvnitř těžkých jader fungují, jako by byly mnohem větší, než když jsou mimo jádra. Vědci tento fenomén nazývají efektem EMC po Evropské muonové spolupráci - skupina, která ho náhodou objevila. Porušuje existující teorie jaderné fyziky.
Nebo Hen, jaderný fyzik na MIT, má nápad, který by mohl potenciálně vysvětlit, co se děje.
Zatímco kvarky, subatomické částice, které tvoří nukleony, silně interagují v daném protonu nebo neutronu, kvarky v různých protonech a neutronech nemohou navzájem hodně interagovat, řekl. Silná síla uvnitř nukleonu je tak silná, že zatíží silnou sílu, která drží nukleony k jiným nukleonům.
„Představte si, že sedí ve vašem pokoji a mluví se dvěma vašimi přáteli se zavřenými okny,“ řekl Hen.
Trio v místnosti jsou tři kvarky uvnitř neutronu nebo protonu.
„Venku fouká lehký vánek,“ řekl.
Tento lehký vánek je síla, která drží proton nebo neutron k blízkým nukleonům, které jsou „mimo“ okno. I kdyby se trochu zavrtěl zavřeným oknem, řekl Hen, sotva by to ovlivnilo vás.
A pokud nukleony zůstanou na svých orbitalech, tak je tomu tak. Nicméně, on řekl, nedávné experimenty ukázaly, že v kterémkoli daném okamžiku, asi 20% nukleonů v jádru je ve skutečnosti mimo jejich orbitaly. Místo toho jsou spárovány s jinými nukleony a interagují v „korelacích krátkého dosahu“. Za těchto okolností jsou interakce mezi nukleony mnohem energetičtější než obvykle, řekl. Je to proto, že kvarky prořezávají stěny svých jednotlivých nukleonů a začínají přímo interagovat, a tyto interakce kvark-kvark jsou mnohem silnější než interakce nukleon-nukleon.
Tyto interakce rozkládají stěny oddělující kvarky uvnitř jednotlivých protonů nebo neutronů, řekl Hen. Kvarky tvořící jeden proton a kvarky tvořící další proton začnou zabírat stejný prostor. To způsobuje protony (případně neutrony), které se protahují a rozmazávají, řekl Hen. Hodně rostou, i když jen velmi krátkou dobu. To zkresluje průměrnou velikost celé kohorty v jádru - vytváří efekt EMC.
Většina fyziků nyní akceptuje tuto interpretaci efektu EMC, řekl Hen. A Miller, který pracoval s Henem na některých klíčových výzkumech, souhlasil.
Ale ne každý si myslí, že Henova skupina problém vyřešila. Ian Cloët, jaderný fyzik v Argonne National Laboratory v Illinois, řekl, že si myslí, že Henova práce vyvodí závěry, že data plně nepodporují.
„Myslím, že efekt EMC je stále nevyřešený,“ řekl Cloët Live Science. Je to proto, že základní model jaderné fyziky již představuje mnoho párů krátkého dosahu, které popisuje Hen. Přesto, „pokud tento model použijete k pokusu a podíváte se na efekt EMC, nebudete popisovat efekt EMC. Neexistuje žádné úspěšné vysvětlení efektu EMC pomocí tohoto rámce. Takže podle mého názoru stále existuje tajemství.“
Hen a jeho spolupracovníci provádějí experimentální práci, která je „statečná“ a „velmi dobrá věda“, řekl. Ale to plně neřeší problém atomového jádra.
"Je jasné, že tradiční model jaderné fyziky ... nemůže vysvětlit tento efekt EMC," řekl. "Nyní si myslíme, že vysvětlení musí vycházet ze samotné QCD."
QCD znamená kvantová chromodynamika - systém pravidel, který řídí chování kvarků. Přechod z jaderné fyziky na QCD je trochu jako dívat se na stejný obrázek dvakrát: jednou na první generaci flip telefonu - to je jaderná fyzika - a pak znovu na televizi s vysokým rozlišením - to je kvantová chromodynamika. Televize s vysokým rozlišením nabízí mnohem více detailů, ale je mnohem složitější ji stavět.
Problém je v tom, že kompletní QCD rovnice popisující všechny kvarky v jádru je příliš obtížné vyřešit, Cloët a Hen oba uvedli. Podle odhadů Cloët jsou moderní superpočítače asi sto let od toho, aby byly dostatečně rychlé. A i když superpočítače byly dnes dostatečně rychlé, rovnice nepostupovaly tak daleko, že byste je mohli připojit k počítači, řekl.
Přesto, jak řekl, je možné s QCD spolupracovat na zodpovězení některých otázek. A právě teď, tyto odpovědi nabízejí jiné vysvětlení efektu EMC: jaderná teorie středního pole.
Nesouhlasí s tím, že 20% nukleonů v jádru je svázáno v korelacích krátkého dosahu. Experimenty to prostě neprokazují, řekl. A s myšlenkou jsou i teoretické problémy.
To naznačuje, že potřebujeme jiný model, řekl.
"Obrázek, který mám, je, že víme, že uvnitř jádra jsou tyto velmi silné jaderné síly," řekl Cloët. Toto jsou „trochu jako elektromagnetická pole, s výjimkou silných silových polí.“
Pole fungují v tak malých vzdálenostech, že jsou mimo jádro zanedbatelné velikosti, ale uvnitř jsou mocná.
V Cloëtově modelu tato silová pole, která nazývá „střední pole“ (pro kombinovanou sílu, kterou nesou) ve skutečnosti deformují vnitřní strukturu protonů, neutronů a pionů (druh silné částice nesoucí sílu).
„Stejně jako když vezmete atom a vložíte jej do silného magnetického pole, změníte vnitřní strukturu tohoto atomu,“ řekl Cloët.
Jinými slovy, teoretici se středním polem si myslí, že popsaná uzavřená místnost, kterou popsal Hen, má ve stěnách díry a vítr fouká skrz kvarky a protahuje je.
Cloët uznal, že je možné, že korelace krátkého dosahu pravděpodobně vysvětlují určitou část efektu EMC, a Hen řekl, že střední pole pravděpodobně také hrají roli.
„Otázka zní, která dominuje,“ řekl Cloët.
Miller, který také intenzivně spolupracoval s Cloëtem, uvedl, že střední pole má tu výhodu, že je teoreticky lépe podloženo. Cloët však ještě neprováděl všechny potřebné výpočty, řekl.
A právě nyní váha experimentálních důkazů naznačuje, že Hen má argument lepší.
Hen i Cloët uvedli, že výsledky experimentů v příštích několika letech mohou tuto otázku vyřešit. Hen citoval experiment probíhající v Jeffersonově národním akcelerátorovém zařízení ve Virginii, který posune nukleony blíže k sobě, kousek po kousku, a umožní vědcům sledovat, jak se mění. Cloët řekl, že chce vidět „polarizovaný EMC experiment“, který by rozbil účinek na základě rotace (kvantové vlastnosti) zapojených protonů. Může odhalit neviditelné podrobnosti o účinku, který by mohl pomoci výpočtům, řekl.
Všichni tři vědci zdůraznili, že debata je přátelská.
„Je to skvělé, protože to znamená, že stále dosahujeme pokroku,“ řekl Miller. "Nakonec něco bude v učebnici a míčová hra je u konce ... Skutečnost, že existují dva konkurenční nápady, znamená, že je to vzrušující a zářivé. A teď konečně máme experimentální nástroje k vyřešení těchto problémů."
