Zde je záhadná pravda, kterou vědci věděli od roku 1983: Protony a neutrony jednají jinak, když jsou uvnitř atomu, než volně se vznášejí vesmírem. Konkrétně subatomové částice, které tvoří tyto protony a neutrony, nazývané kvarky, se masivně zpomalují, jakmile jsou omezeny na jádro v atomu.
Fyzikům se to opravdu nelíbilo, protože neutrony jsou neutrony, ať už jsou uvnitř atomu nebo ne. A protony jsou protony. Protony i neutrony (které dohromady tvoří třídu částic nazývaných „nukleony“) jsou tvořeny třemi menšími částicemi, nazývanými kvarky, spojenými silnou silou.
„Když dáte kvarky do jádra, začnou se pohybovat pomaleji, a to je velmi divné,“ řekl spoluautor studie nebo Hen, fyzik na Massachusetts Institute of Technology. To je divné, protože silné interakce mezi kvarky určují hlavně jejich rychlost, zatímco síly, které vážou jádro (a také působí na kvarky uvnitř jádra), by měly být velmi slabé, dodal Hen.
A není tam žádná jiná známá síla, která by měla modifikovat chování kvarků v jádru tak intenzivně. Účinek však zůstává: Fyzikové částic jej nazývají efektem EMC, pojmenovaným pro Evropskou muonovou spolupráci, skupinu, která jej objevila. A donedávna si vědci nebyli jistí, co to způsobilo.
Dvě částice v jádru jsou obvykle taženy dohromady silou asi 8 milionů voltů elektronů (8 MeV), což je míra energie v částicích. Kvarky v protonu nebo neutronu jsou spojeny dohromady asi 1 000 MeV. Takže to nedává smysl, že poměrně mírné interakce jádra dramaticky ovlivňují silné interakce uvnitř kvarků, řekl Hen pro Live Science.
"Co je osm vedle 1 000?" řekl.
Efekt EMC však nevypadá jako mírná škubnutí z vnější síly. Ačkoli se liší od jednoho druhu jádra k druhému: „Není to jako půl procenta. Efekt se objeví z dat, jakmile jste dostatečně kreativní, abyste navrhli experiment, který by je hledal,“ řekl Hen.
V závislosti na použitém jádru se může zdánlivá velikost nukleonů (která je funkcí jejich rychlosti) změnit o 10 až 20 procent. Například ve zlatém jádru jsou protony a neutrony o 20 procent menší než ve volném pohybu.
Teoretici přišli se spoustou různých modelů, aby vysvětlili, co se tady děje, řekl Hen.
"Můj kamarád žertoval, že EMC kandiduje na 'Everybody's Model is Cool', protože každý model vypadal, že by to mohl vysvětlit," řekl.
Fyzici ale postupem času provedli další experimenty, testovali tyto různé modely a jeden po druhém odpadli.
„Nikdo nedokázal vysvětlit všechna data a my jsme nechali velkou hádanku. Nyní máme spoustu dat, měření toho, jak se kvarky pohybují uvnitř všech druhů různých jader, a nemohli jsme vysvětlit, co se děje ," řekl.
Místo toho, aby se snažili vysvětlit všechny hádanky najednou, se Hen a jeho kolegové rozhodli podívat se na jediný zvláštní případ interakce neutronů a protonů.
Ve většině případů se protony a neutrony v jádru vzájemně nepřekrývají, nýbrž respektují vzájemné hranice - i když jsou to opravdu jen systémy vázaných kvarků. Někdy se však nukleony spojí v rámci existujícího jádra a začnou se krátce fyzicky překrývat a stávají se tím, co vědci nazývají „korelované páry“. V každém okamžiku se tímto způsobem překrývá asi 20 procent nukleonů v jádru.
Když k tomu dojde, obrovské množství energie proudí mezi kvarky a zásadně mění jejich vázanou strukturu a chování - jev způsobený silnou silou. V článku publikovaném 20. února v časopise Nature vědci argumentovali, že tento tok energie přesně odpovídá efektu EMC.
Tým bombardoval elektrony spoustou různých typů jader a našel přímý vztah mezi těmito nukleonovými páry a efektem EMC.
Jejich údaje silně naznačují, řekl Hen, že kvarky ve většině nukleonů se při vstupu do jádra vůbec nemění. Ale těch pár účastnících se párů nukleonů mění své chování tak dramaticky, že v každém experimentu překračují průměrné výsledky. To, že mnoho kvarků zabalených do tak malého prostoru způsobuje dramatické silné silové efekty. Efekt EMC je výsledkem pouze menšiny anomálií, nikoli změnou chování všech protonů a neutronů.
Z dat odvodil tým matematickou funkci, která přesně popisuje, jak se efekt EMC chová od jednoho jádra k druhému.
„Udělali předpověď a jejich předpověď byla víceméně potvrzena,“ řekl Gerald Feldman, fyzik z George Washington University, který napsal doprovodný článek News & Views ve stejném vydání časopisu Nature, ale nebyl zapojen do výzkumu.
To je silný důkaz, že tento párovací efekt je skutečnou odpovědí na záhadu EMC, řekl Feldman Live Science.
Po 35 letech se zdá, že částečtí fyzici tento problém vyřešili příliš mnoha špatnými řešeními. Hen řekl, že on a jeho kolegové již mají naplánované následné experimenty, které by tuto záležitost prozkoumaly ještě hlouběji, a odhalují nové neznámé pravdy o chování spárovaných nukleonů uvnitř atomů.
