Нико заиста не зна шта се дешава унутар атома. Али две конкурентске групе научника мисле да су то смислиле. И обојица се утркују како би доказали да је њихова властита визија тачна.
Ево шта сигурно знамо: Електрони звижде око „орбитала“ у спољној љусци атома. Онда је ту пуно празног простора. А онда, тачно у центру тог простора, постоји сићушно језгро - густи чвор протона и неутрона који дају атому већину његове масе. Ти протони и неутрони се групирају, везани за оно што се назива јака сила. А бројеви тих протона и неутрона одређују да ли је атом гвожђе или кисеоник или ксенон, и да ли је радиоактиван или стабилан.
Ипак, нико не зна како се ти протони и неутрони (заједно познати као нуклеони) понашају унутар атома. Изван атома, протони и неутрони имају одређене величине и облике. Сваки од њих састоји се од три мање честице зване кваркови, а интеракције између тих кваркова су толико интензивне да их ниједна спољна сила не би могла деформисати, чак ни моћне силе између честица у језгру. Али деценијама су истраживачи знали да је теорија на неки начин погрешна. Експерименти су показали да се унутар језгра протони и неутрони појављују много већи него што би требали бити. Физичари су развили две конкурентске теорије које покушавају да објасне ту чудну неусклађеност, а заговорници сваке су сасвим сигурни да је друга погрешна. Оба табора се слажу, међутим, да без обзира на точан одговор, он мора потицати с поља изван њиховог властитог.
Од најмање 40-тих, физичари су знали да се нуклеони крећу у малим тијесним орбитама унутар језгра, изјавио је за Ливе Сциенце Гералд Миллер, нуклеарни физичар са Универзитета у Васхингтону. Нуклеони, затворени у својим покретима, имају веома мало енергије. Не скачу наоколо, обуздане јаком снагом.
1983. физичари Европске организације за нуклеарна истраживања (ЦЕРН) приметили су нешто чудно: Снопови електрона одбили су од гвожђа на начин који је врло различит од начина на који су одбијали слободне протоне, рекао је Миллер. То је било неочекивано; ако су протони унутар водоника исте величине као протони унутар гвожђа, електрони би требали одбити на готово исти начин.
Испрва, истраживачи нису знали шта гледају.
Али с временом су научници веровали да је то питање величине. Из неког разлога, протони и неутрони унутар тешких језгара делују као да су много већи него када су изван језгара. Истраживачи називају овај феномен ефектом ЕМЦ-а, после европске муонске сарадње - групе која га је случајно открила. Крши постојеће теорије нуклеарне физике.
Или Хен, нуклеарни физичар са МИТ-а, има идеју која би потенцијално могла објаснити шта се дешава.
Док кваркови, субатомске честице које чине нуклеоне, снажно делују унутар датог протона или неутрона, кваркови у различитим протонима и неутронима не могу много међусобно комуницирати, рекао је. Јака сила унутар нуклеона је толико јака да помрачује снажну силу која држи нуклеон према другим нуклеонима.
"Замислите да седите у својој соби и разговарате са двојицом својих пријатеља са затвореним прозорима", рекао је Хен.
Трио у соби су три кварка унутар неутрона или протона.
„Лагано ветар дува напољу,“ рекао је.
Тај лагани ветрич је сила која држи протон или неутрон до оближњих нуклеона који су "ван" прозора. Чак и ако се мало провучете кроз затворени прозор, рекао је Хен, то ће вас једва утицати.
И све док нуклеони остану на својим орбитама, то је случај. Међутим, рекао је, недавни експерименти су показали да је у било ком тренутку око 20% нуклеона у језгру у ствари ван њихових орбитала. Уместо тога, они су упарени са другим нуклеонима, који делују у „корелацијама кратког домета“. Под тим околностима, интеракције између нуклеона су много веће енергије него иначе, рекао је он. То је зато што кваркови пробијају кроз зидове својих појединачних нуклеона и почињу директно да међусобно делују, а те интеракције кварк-кварк су много моћније од интеракције нуклеон-нуклеон.
Ове интеракције разбијају зидове раздвајајући кваркове унутар појединих протона или неутрона, рекао је Хен. Кваркови који чине један протон и кваркови који чине други протони почињу да заузимају исти простор. То узрокује да се протони (или неутрони, према потреби) истежу и замагљују, рекао је Хен. Много расту, мада за врло кратко време. То скенира просечну величину целе кохорте у језгру - стварајући ЕМЦ ефекат.
Већина физичара сада прихвата ову интерпретацију ефекта ЕМЦ, рекао је Хен. И Миллер, који је радио са Хеном на неким кључним истраживањима, се сложио.
Али не мисле сви да је Хенова група утврдила проблем. Иан Цлоет, нуклеарни физичар из Националне лабораторије Аргонне у Илиноису, рекао је да мисли да Хен рад доноси закључке да подаци не подржавају у потпуности.
"Мислим да је ЕМЦ ефекат још увек нерешен", рекао је Цлоет за Ливе Сциенце. То је зато што основни модел нуклеарне физике већ чини доста кратког домета спаривања који Хен описује. Ипак, "ако помоћу овог модела покушате да погледате ЕМЦ ефекат, нећете описати ЕМЦ ефекат. Не постоји успешно објашњење ЕМЦ ефекта помоћу тог оквира. Дакле, по мом мишљењу, још увек постоји мистерија."
Хен и његови сарадници раде експериментални посао који је "одважан" и "веома добра наука", рекао је. Али то не решава у потпуности проблем атомског језгра.
"Оно што је јасно јесте да традиционални модел нуклеарне физике ... не може објаснити овај ефекат ЕМЦ-а", рекао је. "Сада мислимо да објашњење мора да долази из самог КЦД-а."
КЦД означава квантну кромодинамику - систем правила који регулишу понашање кваркова. Пребацивање са нуклеарне физике на КЦД помало је гледање исте слике два пута: једном на флип телефону прве генерације - то је нуклеарна физика - и онда поново на телевизору високе резолуције - то је квантна хромодинамика. Телевизор високе резолуције нуди пуно више детаља, али много је сложенији за изградњу.
Проблем је у томе што су комплетне КЦД једнаџбе које описују све кваркове у језгру превише тешко решити, рекли су Цлоет и Хен. Савремени супер-рачунари удаљени су око 100 година од тога да су довољно брзи за обављање задатка, оценио је Цлоет. Чак и ако су супер-рачунари били довољно брзи данас, једначења нису напредовала до тачке у којој бисте их могли укључити у рачунар, рекао је.
Ипак, рекао је, могуће је сарађивати са КЦД-ом да бисте одговорили на нека питања. И управо сада, рекао је, ти одговори нуде другачије објашњење за ефекат ЕМЦ-а: Теорија нуклеарног средњег поља.
Не слаже се да је 20% нуклеона у језгру повезано у корелацијама кратког досега. Експерименти једноставно не доказују то, рекао је. И постоје теоретски проблеми са идејом.
То сугерише да нам је потребан другачији модел, рекао је.
"Слика коју имам је да знамо да су унутар језгра ове веома јаке нуклеарне силе", рекао је Цлоет. То су „помало налик електромагнетним пољима, осим што су поља снажне силе“.
Поља делују на тако малим растојањима да су изван језгре занемариве величине, али су унутар ње моћна.
У Цлоетовом моделу, ова сила силе, која он назива „средња поља“ (за комбиновану снагу коју носе) заправо деформишу унутрашњу структуру протона, неутрона и пиона (врста јаке честице која носи силу).
"Баш као ако узмете атом и ставите га у снажно магнетно поље, променићете унутрашњу структуру тог атома", рекао је Цлоет.
Другим речима, теоретичари средњег поља мисле да запечаћена соба коју је описао Хен има рупе у својим зидовима, а ветар дува да би срушио кваркове около, растежући их.
Цлоет је признао да су могуће корелације кратког домета вероватно објашњавају неки део ЕМЦ ефекта, а Хен је рекао да средња поља вероватно такође играју улогу.
"Питање је оно што доминира", рекао је Цлоет.
Милер, који је такође интензивно сарађивао са Цлоетом, рекао је да предност средњег поља у теорији има предност. Али Цлоет још није извршио све потребне калкулације, рекао је.
И управо тежина експерименталних доказа упућује на то да је Хен бољи у тези.
Хен и Цлоет су рекли да би резултати експеримената у наредних неколико година могли да реше то питање. Хен је навео експеримент који је у току у Јефферсон Натионал Аццелератор Фацилити у Вирџинији, а који ће нуклеоне померати једно по мало, и омогућити истраживачима да гледају како се мењају. Цлоет је рекао да жели да види „поларизовани експеримент ЕМЦ“ који би разбио ефекат на основу спина (квантне особине) укључених протона. То би могло открити невидљиве детаље о ефекту који би могао помоћи израчунавањима, рекао је.
Сва три истраживача су нагласила да је дебата пријатељска.
"Супер је, јер значи да и даље напредујемо", рекао је Милер. "На крају ће се нешто наћи у уџбенику и игра са лоптом је готова ... Чињеница да постоје две идеје које се такмиче значи да је узбудљива и живахна. И сада коначно имамо експерименталне алате за решавање ових питања."
