Вот таинственная истина, которую ученые знают с 1983 года: протоны и нейтроны действуют по-разному, когда они находятся внутри атома, и свободно плавают в пространстве. В частности, субатомные частицы, которые составляют эти протоны и нейтроны, называемые кварками, сильно замедляются, как только они заключены в ядре в атоме.
Физикам это не понравилось, потому что нейтроны - это нейтроны, независимо от того, находятся они внутри атома или нет. И протоны - это протоны. Как протоны, так и нейтроны (которые вместе составляют класс частиц, называемых «нуклонами») состоят из трех более мелких частиц, называемых кварками, связанных друг с другом сильной силой.
«Когда вы помещаете кварки в ядро, они начинают двигаться медленнее, и это очень странно», - сказал соавтор исследования Ор Хен, физик из Массачусетского технологического института. Это странно, потому что мощные взаимодействия между кварками в основном определяют их скорость, тогда как силы, которые связывают ядро (а также действуют на кварки внутри ядра), должны быть очень слабыми, добавил Хен.
И нет другой известной силы, которая должна была бы так сильно изменять поведение кварков в ядре. Тем не менее, эффект остается: физики элементарных частиц называют его эффектом электромагнитной совместимости, названным в честь Европейского объединения мюонов, группы, которая его открыла. И до недавнего времени ученые не были уверены, что вызвало это.
Две частицы в ядре обычно сближаются силой около 8 миллионов электрон-вольт (8 МэВ), мерой энергии в частицах. Кварки в протоне или нейтроне связаны между собой примерно 1000 МэВ. Так что не имеет смысла, что сравнительно мягкие взаимодействия ядра резко влияют на мощные взаимодействия внутри кварков, рассказала Хен Live Science.
"Что такое восемь рядом с 1000?" он сказал.
Но эффект ЭМС не выглядит как легкое подталкивание от внешней силы. Хотя это варьируется от одного вида ядра к другому: «Это не похоже на полпроцента. Эффект появляется из данных, когда вы достаточно креативны, чтобы разработать эксперимент для его поиска», - говорит Хен.
В зависимости от вовлеченного ядра видимый размер нуклонов (который является функцией их скорости) может изменяться на 10-20 процентов. Например, в золотом ядре протоны и нейтроны на 20 процентов меньше, чем когда они свободно плавают.
По словам Хена, теоретики придумали множество разных моделей, чтобы объяснить, что здесь происходит.
«Мой друг пошутил, что EMC расшифровывается как« Модель для всех - это круто », потому что каждая модель, кажется, может это объяснить», - сказал он.
Но со временем физики провели больше экспериментов, испытав эти разные модели, и одна за другой отпали.
«Никто не мог объяснить все данные, и у нас осталась большая загадка. Сейчас у нас есть много данных, измерений того, как кварки движутся во всех видах различных ядер, и мы не могли объяснить, что происходит ," он сказал.
Вместо того, чтобы пытаться объяснить всю загадку сразу, Хен и его коллеги решили рассмотреть только один особый случай взаимодействия нейтрона и протона.
В большинстве случаев протоны и нейтроны в ядре не пересекаются друг с другом, вместо этого уважая границы друг друга - даже если они на самом деле являются просто системами связанных кварков. Но иногда нуклоны связываются вместе в существующем ядре и начинают на короткое время физически перекрываться друг с другом, превращаясь в то, что ученые называют «коррелированными парами». В любой момент около 20 процентов нуклонов в ядре перекрываются таким образом.
Когда это происходит, огромное количество энергии течет между кварками, фундаментально изменяя их связанную структуру и поведение - явление, вызванное сильной силой. В статье, опубликованной 20 февраля в журнале Nature, исследователи утверждали, что этот поток энергии точно учитывает эффект ЭМС.
Команда бомбардировала множество разных типов ядер электронами и обнаружила прямую связь между этими парами нуклонов и эффектом ЭМС.
Их данные убедительно свидетельствуют, сказал Хен, что кварки в большинстве нуклонов вообще не меняются, когда они входят в ядро. Но те немногие, кто участвует в парах нуклонов, настолько резко изменяют свое поведение, что искажают средние результаты в любом эксперименте. То, что много кварков, упакованных в такое маленькое пространство, вызывает сильные силовые эффекты. ЭМС-эффект является результатом лишь небольшого числа аномалий, а не изменения в поведении всех протонов и нейтронов.
На основании этих данных команда выявила математическую функцию, которая точно описывает, как ЭМС-эффект ведет себя от одного ядра к другому.
«Они сделали прогноз, и их прогноз был более или менее подтвержден», - сказал Джеральд Фельдман, физик из Университета Джорджа Вашингтона, который написал сопроводительную статью «Новости и взгляды» в том же выпуске «Природы», но не участвовал в исследовании.
Это убедительное доказательство того, что этот эффект сопряжения является настоящим ответом на загадку EMC.
По прошествии 35 лет физики элементарных частиц, похоже, решили эту проблему слишком многими бесполезными решениями. Хен сказал, что у него и его коллег уже запланированы последующие эксперименты, чтобы еще глубже изучить проблему и раскрыть новые неизвестные истины о поведении парных нуклонов внутри атомов.
