Nimeni nu știe cu adevărat ce se întâmplă în interiorul unui atom. Dar două grupuri de oameni de știință concurente cred că și-au dat seama. Și ambele se întrec pentru a demonstra că propria lor viziune este corectă.
Iată ce știm cu siguranță: electronii mormăie în jurul „orbitalelor” din carcasa exterioară a unui atom. Apoi, există o mulțime de spații goale. Și apoi, chiar în centrul acelui spațiu, există un nucleu minuscul - un nod dens de protoni și neutroni care dau atomului cea mai mare parte a masei sale. Acei protoni și neutroni se grupează, legați de ceea ce se numește forța puternică. Și numărul acelor protoni și neutroni determină dacă atomul este fier, oxigen sau xenon și dacă este radioactiv sau stabil.
Totuși, nimeni nu știe cum se comportă acei protoni și neutroni (cunoscuți împreună ca nucleoni) în interiorul unui atom. În afara unui atom, protonii și neutronii au dimensiuni și forme definite. Fiecare dintre ele este alcătuită din trei particule mai mici numite quark, iar interacțiunile dintre acei quark sunt atât de intense încât nici o forță externă nu ar trebui să le poată deforma, nici măcar forțele puternice dintre particulele dintr-un nucleu. Dar de zeci de ani, cercetătorii au știut că teoria este într-un fel greșită. Experimentele au arătat că, în interiorul unui nucleu, protonii și neutronii apar mult mai mari decât ar trebui. Fizicienii au dezvoltat două teorii concurente care încearcă să explice că nepotrivirea ciudată, iar susținătorii fiecăruia sunt siguri că cealaltă este incorectă. Ambele tabere convin însă că, indiferent de răspunsul corect, acesta trebuie să vină dintr-un câmp dincolo de propriile lor.
Încă din anii ’40, fizicienii au știut că nucleonii se deplasează pe orbitale mici strânse în interiorul nucleului, a declarat Gerald Miller, un fizician nuclear la Universitatea din Washington, la Science Science. Nucleii, limitați în mișcările lor, au foarte puțină energie. Ei nu sar din preajma mare, ingraditi de forta puternica.
În 1983, fizicienii de la Organizația Europeană pentru Cercetări Nucleare (CERN) au observat ceva ciudat: grinzile de electroni au respins fierul într-un mod care a fost foarte diferit de modul în care au respins protonii liberi, a spus Miller. Asta a fost neașteptat; dacă protonii din interiorul hidrogenului aveau aceeași dimensiune ca protonii din interiorul fierului, electronii ar fi trebuit să respingă în același mod.
La început, cercetătorii nu știau ce priveau.
În timp, oamenii de știință au ajuns să creadă că este o problemă de dimensiune. Din anumite motive, protonii și neutronii din nucleele grele acționează ca și cum sunt mult mai mari decât atunci când sunt în afara nucleelor. Cercetătorii numesc acest fenomen efectul EMC, după colaborarea europeană cu Muon - grupul care l-a descoperit accidental. Acesta încalcă teoriile existente ale fizicii nucleare.
Sau Hen, fizician nuclear la MIT, are o idee care ar putea explica ceea ce se întâmplă.
În timp ce quark-urile, particulele subatomice care alcătuiesc nucleoni, interacționează puternic în interiorul unui proton sau neutron dat, quark-urile în protoni și neutroni diferiți nu pot interacționa foarte mult între ei, a spus el. Forța puternică din interiorul unui nucleon este atât de puternică încât eclipsează forța puternică care ține nucleonii față de alți nucleoni.
„Imaginează-ți că stai în camera ta vorbind cu doi prieteni cu geamurile închise”, a spus Hen.
Trio-ul din cameră sunt trei quark-uri în interiorul unui neutron sau proton.
"O briză ușoară suflă afară", a spus el.
Această briză ușoară este forța care ține protonul sau neutronul la nucleonii apropiați care se află „în afara” ferestrei. Chiar dacă s-ar fi strecurat puțin prin fereastra închisă, a spus Hen, abia te-ar afecta.
Și atâta timp cât nucleonii rămân în orbitalele lor, acesta este cazul. Cu toate acestea, a spus el, experimentele recente au arătat că, la un moment dat, aproximativ 20% dintre nucleoni dintr-un nucleu sunt de fapt în afara orbitalelor lor. În schimb, sunt împerecheți cu alți nucleoni, interacționând în „corelații de gamă scurtă”. În aceste condiții, interacțiunile dintre nucleoni sunt cu mult mai mari energie decât de obicei, a spus el. Acest lucru se datorează faptului că quark-urile trec prin pereții nucleonilor lor individuali și încep să interacționeze direct, iar acele interacțiuni quark-quark sunt mult mai puternice decât interacțiunile nucleon-nucleon.
Aceste interacțiuni descompun pereții care separă quarkuri în protonii individuali sau neutroni, a spus Hen. Quark-urile care formează un proton și quark-urile care alcătuiesc un alt proton încep să ocupe același spațiu. Acest lucru face ca protonii (sau neutronii, după caz) să se întindă și să se estompeze, a spus Hen. Cresc foarte mult, deși pentru perioade foarte scurte de timp. Aceasta reduce dimensiunea medie a întregii cohorte din nucleu - producând efectul EMC.
Majoritatea fizicienilor acceptă acum această interpretare a efectului EMC, a spus Hen. Iar Miller, care a lucrat cu Hen la unele dintre cercetările cheie, a fost de acord.
Dar nu toată lumea crede că grupul de Hen are problema rezolvată. Ian Cloët, fizician nuclear la Laboratorul Național Argonne din Illinois, a declarat că consideră că lucrările lui Hen trag concluzii pe care datele nu le acceptă pe deplin.
"Cred că efectul EMC este încă nerezolvat", a declarat Cloët pentru Live Science. Acest lucru se datorează faptului că modelul de bază al fizicii nucleare reprezintă deja o mare parte din perechea pe termen scurt pe care o descrie Hen. Cu toate acestea, "dacă folosești acel model pentru a încerca să te uiți la efectul EMC, nu vei descrie efectul EMC. Nu există o explicație de succes a efectului EMC folosind acest cadru. Deci, în opinia mea, există încă un mister."
Hen și colaboratorii săi lucrează experimental care este „valabil” și „știință foarte bună”, a spus el. Dar nu rezolvă pe deplin problema nucleului atomic.
"Ceea ce este clar este că modelul tradițional al fizicii nucleare ... nu poate explica acest efect EMC", a spus el. „Acum credem că explicația trebuie să vină de la QCD însuși.”
QCD reprezintă o cromodinamică cuantică - sistemul de reguli care guvernează comportamentul quark-ului. Trecerea de la fizica nucleară la QCD este ca și cum ar fi privit aceeași imagine de două ori: odată pe un telefon flip de primă generație - asta este fizica nucleară - și apoi din nou pe un televizor de înaltă rezoluție - asta este cromodinamica cuantică. Televizorul de înaltă rezoluție oferă mult mai multe detalii, dar este mult mai complicat de construit.
Problema este că ecuațiile QCD complete care descriu toate quark-urile dintr-un nucleu sunt prea dificil de rezolvat, Cloët și Hen au spus ambele. Supercomputerele moderne sunt la aproximativ 100 de ani de a fi suficient de rapid pentru sarcină, a estimat Cloët. Și chiar dacă astăzi supercomputerele au fost destul de rapide, ecuațiile nu au avansat până la punctul în care le puteți conecta la un computer, a spus el.
Cu toate acestea, a spus el, este posibil să lucrezi cu QCD pentru a răspunde la unele întrebări. Și acum, a spus el, acele răspunsuri oferă o explicație diferită pentru efectul EMC: Teoria câmpului mediu mediu.
El nu este de acord că 20% dintre nucleonii dintr-un nucleu sunt legați în corelații de rază scurtă. Experimentele nu dovedesc asta, a spus el. Și există probleme teoretice cu ideea.
Acesta a sugerat că avem nevoie de un model diferit, a spus el.
"Imaginea pe care o am este că știm că în interiorul unui nucleu se află aceste forțe nucleare foarte puternice", a spus Cloët. Acestea sunt „cam ca niște câmpuri electromagnetice, cu excepția faptului că sunt câmpuri de forță puternice”.
Câmpurile funcționează la distanțe atât de minuscule încât sunt de o magnitudine neglijabilă în afara nucleului, dar sunt puternice în interiorul acestuia.
În modelul lui Cloët, aceste câmpuri de forță, pe care el le numește „câmpuri medii” (pentru rezistența combinată pe care le transportă) deformează de fapt structura internă a protonilor, neutronilor și pionilor (un tip de particule puternice care transportă forța).
„La fel ca dacă iei un atom și îl pui în interiorul unui câmp magnetic puternic, vei schimba structura internă a acelui atom”, a spus Cloët.
Cu alte cuvinte, teoreticienii din câmpul mediu cred că încăperea sigilată de către Hen descrisă are găuri în pereții ei, iar vântul suflă pentru a bate vânturile, întinzându-le.
Cloët a recunoscut că este posibil ca corelațiile pe distanțe scurte să explice probabil o parte din efectul EMC, iar Hen a spus că probabil că câmpurile medii joacă un rol.
"Întrebarea este, care domină", a spus Cloët.
Miller, care a lucrat intens și cu Cloët, a spus că domeniul mediu are avantajul de a fi mai bine fundamentat în teorie. Dar Cloët nu a făcut încă toate calculele necesare, a spus el.
Și acum ponderea dovezilor experimentale sugerează că Hen are argumentul mai bun.
Hen și Cloët au spus că rezultatele experimentelor din următorii câțiva ani ar putea rezolva întrebarea. Hen a citat un experiment în curs la Facilitatea Națională de Accelerare Jefferson din Virginia, care va muta nucleonii mai aproape între ei, câte puțin, și va permite cercetătorilor să îi urmărească schimbându-se. Cloët a spus că vrea să vadă un „experiment EMC polarizat”, care ar rupe efectul bazat pe spinarea (o trăsătură cuantică) a protonilor implicați. Acesta ar putea dezvălui detalii nevăzute despre efectul care ar putea ajuta calculele, a spus el.
Toți cei trei cercetători au subliniat că dezbaterea este prietenoasă.
"Este minunat, pentru că înseamnă că tot progresăm", a spus Miller. "În cele din urmă, ceva va fi în manual și jocul cu mingea s-a terminat ... Faptul că există două idei concurente înseamnă că este interesant și vibrant. Și acum avem în sfârșit instrumentele experimentale pentru a rezolva aceste probleme."
