Keegi ei tea tegelikult, mis aatomi sees toimub. Kuid kaks konkureerivat teadlaste rühma arvavad, et on selle välja mõelnud. Ja mõlemad võistlevad, et tõestada, et nende enda nägemus on õige.
Siin on see, mida me kindlalt teame: elektronid virisevad "orbitaalide" ümber aatomi väliskeses. Siis on terve hulk tühja ruumi. Ja siis, otse selle ruumi keskel, on pisike tuum - tihe prootonite ja neutronite sõlm, mis annavad aatomile suurema osa massist. Need prootonid ja neutronid klastrituutuvad omavahel kokku, mida seob tugev jõud. Ja nende prootonite ja neutronite arv määrab, kas aatom on raud või hapnik või ksenoon ja kas see on radioaktiivne või stabiilne.
Sellegipoolest ei tea keegi, kuidas need prootonid ja neutronid (koos tuntud kui nukleonid) aatomi sees käituvad. Väljaspool aatomit on prootonitel ja neutronitel kindlad suurused ja kuju. Igaüks neist koosneb kolmest väiksemast osakest, mida nimetatakse kvarkideks ja nende kvarkide vastastikmõjud on nii intensiivsed, et ükski väline jõud ei peaks neid deformeerima, isegi mitte tuuma osakeste vahelised võimsad jõud. Kuid aastakümneid on teadlased teadnud, et teooria on mingil moel vale. Katsed on näidanud, et tuuma sees on prootonid ja neutronid palju suuremad, kui nad peaksid olema. Füüsikud on välja töötanud kaks konkureerivat teooriat, mis püüavad selgitada seda veidrat ebakõla ja kummagi pooldajad on üsna kindlad, teine on vale. Mõlemad leerid on siiski ühel meelel, et ükskõik milline oleks õige vastus, peab see tulema väljastpoolt nende oma.
Alates vähemalt 1940. aastatest on füüsikud teadnud, et tuumad liiguvad tuuma kitsastes väikestes orbitaalides, rääkis Washingtoni ülikooli tuumafüüsik Gerald Miller Live Science'ile. Liikumistel piiratud nukleonidel on väga vähe energiat. Nad ei põrka palju ümber, seda piirab tugev jõud.
1983. aastal märkasid Euroopa Tuumauuringute Organisatsiooni (CERN) füüsikud midagi kummalist: elektronide kiired põrkasid rauast välja viisil, mis erines väga erinevalt sellest, kuidas nad vabad prootonid tagasi põrkasid, ütles Miller. See oli ootamatu; kui vesiniku sees olevad prootonid oleksid sama suured kui raua sees olevad prootonid, oleks elektronid pidanud põrkuma enam-vähem samal viisil.
Alguses ei teadnud teadlased, mida nad vaatasid.
Kuid aja jooksul uskusid teadlased, et see on suurusega seotud probleem. Mingil põhjusel toimivad rasketes tuumades asuvad prootonid ja neutronid justkui palju suuremad kui tuumadest väljaspool. Teadlased nimetavad seda nähtust EMC-efektiks pärast European Muoni koostööd - grupp, kes selle kogemata avastas. See rikub tuumafüüsika olemasolevaid teooriaid.
Või on MITi tuumafüüsik Henil idee, mis võiks potentsiaalselt selgitada, mis toimub.
Kui kvargid, nukleonid moodustavad subatomilised osakesed interakteeruvad kindla prootoni või neutroni piires, kvargid erinevates prootonites ja neutronid ei saa üksteisega palju suhelda, ütles ta. Tugev jõud tuuma sees on nii tugev, et see varjab tugeva jõu, mis hoiab nukleone teiste nukleonidega.
"Kujutage ette, et istute oma toas kahe oma sõbraga, kui aknad on suletud, rääkimas," ütles Hen.
Ruumis paiknev kolmik on kolm kvarki neutroni või prootoni sees.
"Õues puhub kerge tuuleke," sõnas ta.
See kerge tuuleke on jõud, mis hoiab prootoni või neutronit lähedal asuvatele nukleonidele, mis asuvad aknast "väljaspool". Isegi kui natuke sukeldunud aknast läbi hiilida, ei mõjuta Hen seda.
Ja nii kaua, kuni tuumad püsivad oma orbitaalides, on see nii. Kuid tema sõnul on hiljutised katsed näidanud, et igal ajal on umbes 20% tuuma nukleonidest väljaspool nende orbitaale. Selle asemel on nad seotud teiste nukleonidega, interakteerudes "lähiala korrelatsioonides". Sel juhul on tuumade omavaheline interaktsioon tavapärasest palju suurema energiatarbimisega, ütles ta. Põhjuseks on see, et kvargid põrkavad läbi oma üksikute tuumade seinte ja hakkavad omavahel vahetult suhtlema ning need kvargi-kvarki interaktsioonid on palju võimsamad kui tuuma-nukleoni interaktsioonid.
Need vastastikmõjud lõhustavad üksikute prootonite või neutronite sees kvarke eraldavaid seinu, ütles Hen. Ühte prootonit moodustavad kvargid ja teist prootonit moodustavad kvargid hakkavad sama ruumi hõivama. See põhjustab prootonite (või vastavalt vajadusele neutronite) venimist ja hägustumist, ütles Hen. Nad kasvavad palju, ehkki väga lühikese aja jooksul. See moonutab tuumas oleva kogu kohordi keskmist suurust - tekitades EMC efekti.
Enamik füüsikuid aktsepteerib seda EMC efekti tõlgendust, ütles Hen. Ja Miller, kes töötas Heniga mõne põhiuuringu kallal, nõustus.
Kuid mitte kõigi arvates pole Henni rühmal probleem välja töötatud. Illinoisi Argonne'i riikliku labori tuumafüüsik Ian Cloët ütles, et tema arvates teeb Heni töö järeldusi, et andmed ei toeta seda täielikult.
"Ma arvan, et EMC efekt on endiselt lahendamata," rääkis Cloët Live Science'ile. Põhjuseks on see, et tuumafüüsika põhimudel moodustab juba palju Heni kirjeldatud lähialade sidumist. "Kui kasutate seda mudelit EMC-efekti proovimiseks ja kirjeldamiseks, ei kirjelda te EMC-efekti. EMC-efekti selle raamistiku abil pole õnnestunud selgitada. Minu arvates on seal siiski mõistatus."
Hen ja ta kaastöötajad teevad eksperimentaalset tööd, mis on "vali" ja "väga hea teadus", ütles ta. Kuid see ei lahenda aatomituuma probleemi täielikult.
"Selge on see, et tuumafüüsika traditsiooniline mudel ei suuda seda EMC mõju selgitada," ütles ta. "Me arvame nüüd, et seletus peab tulema QCD endalt."
QCD tähistab kvantkromodünaamikat - reeglite süsteemi, mis reguleerib kvarkide käitumist. Tuumafüüsikalt QCD-le üleminek on sama, kui vaadata sama pilti kaks korda: kord esimese põlvkonna flip-telefonil - see on tuumafüüsika - ja siis jälle suure eraldusvõimega teleris - see on kvantkromodünaamika. Kõrgresolutsiooniga teler pakub palju üksikasju, kuid selle ehitamine on palju keerulisem.
Probleem on selles, et kõiki tuuma kvarke kirjeldavaid täielikke QCD võrrandeid on liiga raske lahendada, ütlesid Cloët ja Hen. Cloët hindas, et tänapäevased superarvutid on umbes 100 aastat kaugel sellest, et olla piisavalt kiire. Ja isegi kui superarvutid olid täna piisavalt kiired, pole võrrandid jõudnud niikaugele, et saaksite need arvutiga ühendada, ütles ta.
Tema sõnul on QCD-ga siiski võimalik mõnele küsimusele vastata. Ja nüüd, tema sõnul, pakuvad need vastused elektromagnetilise ühilduvuse efektile teistsuguse seletuse: tuuma keskmise välja teooria.
Ta ei nõustu, et 20% tuuma nukleonidest on seotud lähiala korrelatsioonidega. Katsed lihtsalt ei tõesta seda, ütles ta. Ja ideel on teoreetilisi probleeme.
See tähendab, et vajame teistsugust mudelit, ütles ta.
"Pilt, mis mul on, on teada, et tuumas on need väga tugevad tuumajõud," sõnas Cloët. Need on "natuke nagu elektromagnetilised väljad, välja arvatud juhul, kui need on tugevad jõuväljad".
Väljad töötavad nii väikeste vahemaadega, et väljaspool tuuma on nad tühise ulatusega, kuid nad on selle sees võimsad.
Cloëti mudelis deformeerivad need jõuväljad, mida ta nimetab "keskväljadeks" (nende ühendatud tugevuse jaoks), prootonite, neutronite ja pioonide (tugevat jõudu kandvate osakeste tüüp) sisestruktuuri.
"Nii nagu te võtate aatomi ja panite selle tugeva magnetvälja sisse, muudate selle aatomi sisemist struktuuri," ütles Cloët.
Teisisõnu arvavad keskvälja teoreetikud, et Heni kirjeldatud suletud ruumi seintes on augud ja tuul puhub läbi, et kvarke ümber lüüa, sirutades need välja.
Cloët tunnistas, et võimalikud lähiala korrelatsioonid selgitavad tõenäoliselt osa elektromagnetilise ühilduvuse mõjust ja Heni sõnul mängivad tõenäoliselt rolli ka keskmised väljad.
"Küsimus on selles, kumb domineerib," sõnas Cloët.
Miller, kes on ka Cloëtiga põhjalikult koostööd teinud, ütles, et keskmise välja eeliseks on teoorias põhjalikum põhjendus. Kuid Cloët pole veel kõiki vajalikke arvutusi teinud, ütles ta.
Ja praegu viitab eksperimentaalsete tõendite kaal sellele, et Henil on argument parem.
Hen ja Cloët ütlesid, et lähiaastate katsete tulemused võivad selle küsimuse lahendada. Hen nimetas Virginias Jeffersoni Riikliku Kiirendi Rajatises käimasolevat eksperimenti, mis viib tuumad üksteisele lähemale, võimaldades teadlastel jälgida nende muutumist. Cloët ütles, et soovib näha "polariseeritud EMC eksperimenti", mis lagundaks efekti, mis põhineb kaasatud prootonite spinnil (kvantomadusel). See võib paljastada nähtamatuid üksikasju mõju kohta, mis võiks arvutusi aidata, ütles ta.
Kõik kolm uurijat rõhutasid, et arutelu on sõbralik.
"See on suurepärane, sest see tähendab, et teeme endiselt edusamme," sõnas Miller. "Lõpuks jääb midagi õpikusse ja pallimäng on läbi ... Fakt, et on olemas kaks konkureerivat ideed, tähendab, et see on põnev ja elav. Ja nüüd on meil lõpuks olemas eksperimentaalsed tööriistad nende probleemide lahendamiseks."
