Ingen ved virkelig, hvad der sker inden i et atom. Men to konkurrerende grupper af videnskabsmænd mener, at de har fundet ud af det. Og begge kæmper for at bevise, at deres egen vision er korrekt.
Her er hvad vi ved med sikkerhed: Elektroner suser rundt om "orbitaler" i et atoms ydre skal. Så er der en hel masse tom plads. Og så, lige i midten af det rum, er der en lille kerne - en tæt knude af protoner og neutroner, der giver atomet det meste af dens masse. Disse protoner og neutroner klynger sig sammen, bundet af det, der kaldes den stærke styrke. Og antallet af disse protoner og neutroner bestemmer, om atomet er jern eller ilt eller xenon, og om det er radioaktivt eller stabilt.
Stadig, ingen ved, hvordan disse protoner og neutroner (sammen kendt som nukleoner) opfører sig inde i et atom. Uden for et atom har protoner og neutroner bestemte størrelser og former. Hver af dem består af tre mindre partikler kaldet kvarker, og samspillet mellem disse kvarker er så intense, at ingen ydre kræfter skal være i stand til at deformere dem, ikke engang de kraftige kræfter mellem partikler i en kerne. Men i årtier har forskere vidst, at teorien på en eller anden måde er forkert. Eksperimenter har vist, at protoner og neutroner inde i en kerne forekommer meget større end de burde være. Fysikere har udviklet to konkurrerende teorier, der prøver at forklare den underlige misforhold, og fortalerne for hver er ganske sikre på, at den anden er forkert. Begge lejre er dog enige om, at uanset hvad det rigtige svar er, skal det komme fra et felt ud over deres eget.
Siden mindst 1940'erne har fysikere vidst, at nukleoner bevæger sig i trange små orbitaler inden for kernen, fortalte Gerald Miller, en nuklearfysiker ved University of Washington, til Live Science. Nukleonerne, begrænset i deres bevægelser, har meget lidt energi. De hopper ikke omkring meget, tilbageholdt af den stærke styrke.
I 1983 bemærkede fysikere ved Den Europæiske Organisation for Nuklear Forskning (CERN) noget mærkeligt: Stråler af elektroner sprang ud af jern på en måde, der var meget anderledes end hvordan de sprang fra frie protoner, sagde Miller. Det var uventet; hvis protonerne inde i brint var af samme størrelse som protonerne inde i jern, skulle elektronerne have sprang ud på meget samme måde.
Først vidste forskerne ikke, hvad de så på.
Men over tid troede videnskabsmænd, at det var et størrelsesproblem. Af en eller anden grund fungerer protoner og neutroner i tunge kerner som om de er meget større end når de er uden for kernerne. Forskere kalder dette fænomen EMC-effekten efter det europæiske Muon-samarbejde - gruppen, der ved et uheld opdagede den. Det krænker eksisterende teorier om nukleær fysik.
Eller Hen, en kernefysiker ved MIT, har en idé, der potentielt kunne forklare, hvad der foregår.
Mens kvarker, de subatomære partikler, der udgør nukleoner, interagerer stærkt i en given proton eller neutron, kan kvarker i forskellige protoner og neutroner ikke interagere meget med hinanden, sagde han. Den stærke kraft inde i en nukleon er så stærk, at den formørker den stærke kraft, der holder nukleoner til andre nukleoner.
”Forestil dig at sidde i dit værelse og tale med to af dine venner med vinduerne lukket," sagde Hen.
Trioen i rummet er tre kvarker inde i en neutron eller proton.
”En let brise blæser udenfor,” sagde han.
Den lette brise er kraften, der holder protonen eller neutronen til de nærliggende nukleoner, der er "uden for vinduet". Selv hvis en smule snuck gennem det lukkede vindue, sagde Hen, ville det næppe påvirke dig.
Og så længe nukleoner forbliver i deres orbitaler, er det tilfældet. Dog sagde han, nylige eksperimenter har vist, at ca. 20% af nukleonerne i en kerne på et givet tidspunkt faktisk ligger uden for deres orbitaler. I stedet er de parret med andre nukleoner og interagerer i "kortafstandskorrelationer." Under disse omstændigheder er interaktionerne mellem nukleonerne meget højere energi end normalt, sagde han. Det skyldes, at kvarkerne stikker gennem væggene i deres individuelle nukleoner og begynder at interagere direkte, og disse quark-quark-interaktioner er meget mere magtfulde end nucleon-nucleon-interaktioner.
Disse interaktioner nedbryder væggene, der adskiller kvarker i individuelle protoner eller neutroner, sagde Hen. Kvarkerne, der udgør en proton, og kvarkerne, der udgør en anden proton, begynder at besætte det samme rum. Dette får protonerne (eller neutronerne, som tilfældet er) til at strække og sløre, sagde Hen. De vokser meget, omend i meget korte perioder. Det skæver gennemsnittet af hele kohorten i kernen - hvilket producerer EMC-effekten.
De fleste fysikere accepterer nu denne fortolkning af EMC-effekten, sagde Hen. Og Miller, der arbejdede sammen med Hen på nogle af nøgleundersøgelserne, var enig.
Men ikke alle tror, at Henens gruppe har problemet løst. Ian Cloët, en kernefysiker ved Argonne National Laboratory i Illinois, sagde, at han mener, at Hen's arbejde drager konklusioner om, at dataene ikke støtter fuldt ud.
"Jeg tror, EMC-effekten stadig er uopløst," fortalte Cloët til Live Science. Det skyldes, at den grundlæggende model for nukleær fysik allerede tegner sig for en masse af det kortdækkede parring, Hen beskriver. Alligevel "hvis du bruger denne model til at prøve at se på EMC-effekten, vil du ikke beskrive EMC-effekten. Der er ingen vellykket forklaring af EMC-effekten ved hjælp af denne ramme. Så efter min mening er der stadig et mysterium."
Hen og hans samarbejdspartnere udfører eksperimentelt arbejde, der er "tappert" og "meget god videnskab," sagde han. Men det løser ikke fuldstændigt problemet med atomkernen.
”Det, der er klart, er, at den traditionelle model for nukleær fysik ... ikke kan forklare denne EMC-effekt,” sagde han. "Vi mener nu, at forklaringen skal komme fra QCD selv."
QCD står for kvante-kromodynamik - systemet med regler, der styrer kvarks opførsel. At skifte fra nukleær fysik til QCD er lidt som at se på det samme billede to gange: en gang på en første generations flip-telefon - det er nukleær fysik - og så igen på et højopløsnings-tv - det er kvantekromodynamik. Højopløsnings-tv'et tilbyder meget mere detaljer, men det er meget mere kompliceret at bygge.
Problemet er, at de komplette QCD-ligninger, der beskriver alle kvarkerne i en kerne, er for svære at løse, sagde Cloët og Hen begge. Moderne supercomputere er omkring 100 år væk fra at være hurtige nok til opgaven, vurderede Cloët. Og selvom supercomputere var hurtige nok i dag, er ligningerne ikke kommet frem til det punkt, hvor du kunne tilslutte dem til en computer, sagde han.
Stadig, sagde han, er det muligt at arbejde med QCD for at besvare nogle spørgsmål. Og lige nu, sagde han, svarene giver en anden forklaring på EMC-effekten: Nuclear Mean-Field Theory.
Han er uenig i, at 20% af nukleoner i en kerne er bundet sammen i kortholdige korrelationer. Eksperimenterne beviser det bare ikke, sagde han. Og der er teoretiske problemer med ideen.
Det antyder, at vi har brug for en anden model, sagde han.
”Det billede, jeg har, er, at vi ved, at der inden i en kerne er disse meget stærke kernekræfter,” sagde Cloët. Disse er "lidt som elektromagnetiske felter, bortset fra at de er stærke kraftfelter."
Felterne fungerer i så små afstande, at de har en ubetydelig størrelse uden for kernen, men de er magtfulde inde i den.
I Cloët's model deformerer disse kraftfelter, som han kalder "middelfelter" (for den kombinerede styrke, de bærer), den indre struktur af protoner, neutroner og pioner (en type stærk kraftbærende partikel).
"Ligesom hvis du tager et atom, og du lægger det i et stærkt magnetfelt, vil du ændre det indre opbygning af dette atom," sagde Cloët.
Med andre ord mener middelveldsteoretikere, at det forseglede rum, Hen beskrev, har huller i væggene, og vinden blæser igennem for at banke kvarkerne rundt og strække dem ud.
Cloët erkendte, at det er muligt, at kortafstandskorrelationer sandsynligvis forklarer en del af EMC-effekten, og Hen sagde, at gennemsnitlige felter sandsynligvis også spiller en rolle.
"Spørgsmålet er, hvad der dominerer," sagde Cloët.
Miller, der også har arbejdet meget sammen med Cloët, sagde, at middelfeltet har fordelen ved at være mere velbegrundet i teorien. Men Cloët har endnu ikke foretaget alle de nødvendige beregninger, sagde han.
Og lige nu tyder vægten på eksperimentelle bevis på, at Hen har det bedre af argumentet.
Hen og Cloët sagde begge, at resultaterne af eksperimenter i de næste par år kunne løse spørgsmålet. Hen citerede et eksperiment i gang på Jefferson National Accelerator Facility i Virginia, der vil bevæge nukleoner tættere sammen, bit for bit, og give forskere mulighed for at se dem ændre sig. Cloët sagde, at han ønsker at se et "polariseret EMC-eksperiment", der ville opbryde effekten baseret på spin (et kvanteegenskab) for de involverede protoner. Det afslører måske usete detaljer om den effekt, der kan hjælpe beregningerne, sagde han.
Alle tre forskere understregede, at debatten er venlig.
"Det er fantastisk, fordi det betyder, at vi stadig gør fremskridt," sagde Miller. "Til sidst kommer der noget i lærebogen og ballespelet er forbi ... Det faktum, at der er to konkurrerende ideer betyder, at det er spændende og levende. Og nu har vi endelig de eksperimentelle værktøjer til at løse disse problemer."
