Вось таямнічая ісціна, якую фізікі ведаюць з 1983 года: пратоны і нейтроны дзейнічаюць па-рознаму, калі яны знаходзяцца ўнутры атама і свабодна плаваюць у прасторы. У прыватнасці, субатомные часціцы, якія складаюць гэтыя пратоны і нейтроны - кварк - моцна запавольваюцца, калі яны знаходзяцца ўнутры ядра атама.

Фізікам гэта, зразумела, не падабаецца, таму што нейтроны - гэта нейтроны, незалежна ад таго, знаходзяцца яны ўнутры атама ці не. І пратоны - гэта таксама заўсёды пратоны. І пратоны, і нейтроны (якія разам складаюць клас часціц, званых «нуклонов») складаюцца з трох больш дробных часціц, званых кваркаў, а самі нуклоны звязаны адзін з адным моцным ядзернай узаемадзеяннем, што дзейнічаюць у маштабах парадку атамнага ядра і менш.

«Калі вы змяшчаеце кварк ў ядро, яны пачынаюць рухацца павольней, і гэта вельмі дзіўна», - сказаў суаўтар даследавання Ор Хен, фізік з Масачусецкага тэхналагічнага інстытута. Гэта дзіўна, таму што магутныя ўзаемадзеяння паміж кварка ў асноўным вызначаюць іх хуткасць, у той час як сілы, якія звязваюць ядро ​​(а таксама дзейнічаюць на кварк ўнутры ядра), павінны быць у параўнанні з імі вельмі слабымі, дадаў Хен.

І няма іншай вядомай сілы, якая магла б так моцна змяняць паводзіны кваркаў ў ядры. Тым не менш, эфект застаецца: фізікі, якія вывучаюць элементарныя часціцы, называюць яго EMC-эфектам, у гонар Еўрапейскай Мюоны калабарацыі (European Muon Collaboration) - групы навукоўцаў у ЦЕРН, якая яго адкрыла. І да нядаўняга часу навукоўцы не ведалі, што выклікае гэты эфект.

Дзве часціцы ў ядры звычайна прыцягваюцца адзін да аднаго з сілай каля 8 мільёнаў электрон-вольт (8 МЭВ). Кварк ў пратонны або нейтронная звязаныя паміж сабой сіламі прыкладна ў 1000 МЭВ. Таму наўрад ці моцнае ўзаемадзеянне, які ўтрымлівае ядро ​​ад распаду, зможа паўплываць на ўзаемадзеянне кваркаў паміж сабой. «Што такое восем побач з тысячай?», - кажа Хен.

Працэс абстрэлу атама электронамі. Па тым, колькі электронаў адхіліла ад першапачатковай траекторыі, можна зразумець памеры кваркаў ( «u» і «d») - а, значыць, даведацца аб іх хуткасць, так як для іх гэтыя велічыні ўзаемазвязаныя.

EMC-эфект не выглядае як лёгкае «падштурхоўвання» ад вонкавай сілы. Хоць ён вар'іруецца ад аднаго атамнага ядра да іншага, па словах Хен, «ён не падобны на выпадковую хібнасць». У залежнасці ад выкарыстоўванага ў эксперыменце ядра бачны памер нуклонов (які наўпрост залежыць ад іх хуткасці) можа змяняцца на 10-20 працэнтаў. Напрыклад, у ядры атама золата пратоны і нейтроны на 20 адсоткаў менш, чым калі яны свабодна плаваюць.

Па словах Хена, тэарэтыкі прыдумалі шмат розных мадэляў, каб растлумачыць, чаму так адбываецца. «Мой сябар пажартаваў, што EMC расшыфроўваецца як« кожная мадэль добрая »(« Everybody's Model is Cool »), таму што кожная мадэль, здаецца, можа растлумачыць гэты эфект», - сказаў ён.

Але з часам фізікі правялі вялікі лік эксперыментаў, выпрабаваўшы гэтыя розныя мадэлі, і яны адна за адной адпалі. «Ніхто не мог растлумачыць ўсе атрыманыя дадзеныя, і ў нас засталася вялікая загадка. У нас было шмат дадзеных - вымярэнняў таго, як кварк рухаюцца ва ўсіх відах розных ядраў, і мы не маглі растлумачыць, што адбываецца », - сказаў Хен.

Замест таго, каб паспрабаваць растлумачыць усю загадку адразу, Хен і яго калегі вырашылі разгледзець толькі адзін асаблівы выпадак ўзаемадзеяння нейтрона і пратона. У большасці выпадкаў пратоны і нейтроны ў ядры не перасякаюцца адзін з адным, замест гэтага выконваючы мяжы - нават калі яны на самой справе з'яўляюцца проста сістэмамі звязаных кваркаў, а не звыклымі нам па школьных падручніках «шарыкамі». Але часам нуклоны звязваюцца разам у існуючым ядры і пачынаюць кароткачасова фізічна перакрывацца адзін з адным, ператвараючыся ў тое, што навукоўцы называюць «карэляваць парамі». У любы момант каля 20 адсоткаў нуклонов ў ядры перакрываюцца такім чынам.

Калі гэта адбываецца, велізарная колькасць энергіі цячэ паміж кварка, фундаментальна змяняючы іх звязаную структуру і паводзіны - з'ява, выкліканая моцным ядзернай узаемадзеяннем. У артыкуле, апублікаванай 20 лютага ў часопісе Nature, даследчыкі сцвярджаюць, што гэты струмень энергіі дакладна ўлічвае EMC-эфект.


Мастацкае выява працэсу карэляцыі нуклонов ў ядры.

Каманда навукоўцаў на чале з Хеном бамбавала мноства розных тыпаў ядраў электронамі і выявіла прамую сувязь паміж карэляваць парамі нуклонов і эфектам EMC. Па словах Хена, іх дадзеныя пераканаўча сведчаць аб тым, што кварк ў большасці нуклонов наогул не мяняюцца, калі яны трапляюць у ядро. Але тыя нешматлікія з іх, хто ўтвараюць карэляваць пары, настолькі моцна змяняюць свае паводзіны, што скажаюць сярэднія вынікі ў любым эксперыменце. Гэта значыць EMC-эфект з'яўляецца вынікам толькі невялікага колькасці анамалій, выкліканых шчыльнай пакаваннем кваркаў ў атамным ядры, а не змяненнем у паводзінах ўсіх пратонаў і нейтронаў.

На падставе гэтых дадзеных каманда вывела матэматычную функцыю, якая дакладна апісвае, як EMC-эфект паводзіць сябе на розных ядрах. «Яны [аўтары артыкула] зрабілі прагноз, і ён быў больш-менш пацверджаны», - сказаў Джэральд Фельдман, фізік з Універсітэта Джорджа Вашынгтона, які напісаў суправаджальную артыкул да даследавання каманды Хена, але не ўдзельнічаў у гэтым.

Гэта пераканаўчы доказ таго, што эфект спалучэння нуклонов з'яўляецца рэальным адказам на загадку EMC, сказаў Фельдман. Па сканчэнні 35 гадоў фізікі, якія займаюцца элементарнымі часціцамі, падобна, вырашылі гэтую праблему пасля вялікай колькасці няўдалых здагадак і эксперыментаў. Хен кажа, што ў яго і яго калег ўжо запланаваныя наступныя эксперыменты, каб яшчэ глыбей вывучыць праблему і выявіць новыя невядомыя ісціны аб паводзінах парных нуклонов ўнутры атамаў.