Her er en mystisk sandhed, som videnskabsmænd har kendt siden 1983: Protoner og neutroner handler forskelligt, når de er inde i et atom, mod at flyde frit gennem rummet. Specifikt bremser de subatomære partikler, der udgør disse protoner og neutroner, kaldet kvarker, massivt, når de er begrænset til en kerne i et atom.
Fysikere kunne virkelig ikke lide dette, fordi neutroner er neutroner, uanset om de er inde i et atom eller ikke. Og protoner er protoner. Både protoner og neutroner (som tilsammen udgør klassen af partikler kaldet "nukleoner") består af tre mindre partikler, kaldet kvarker, bundet sammen af den stærke kraft.
”Når man lægger kvarker i en kerne, begynder de at bevæge sig langsommere, og det er meget underligt,” sagde studieforfatter Or Hen, fysiker ved Massachusetts Institute of Technology. Det er underligt, fordi de kraftige interaktioner mellem kvarker hovedsageligt bestemmer deres hastighed, hvorimod kræfter, der binder kernen (og også virker på kvarkerne inde i kernen), antages at være meget svage, tilføjede Hen.
Og der er ingen anden kendt kraft, der skal ændre opførsel af kvarker i en kerne så intenst. Alligevel forbliver virkningen: Partikelfysikere kalder det EMC-effekten, opkaldt efter det europæiske Muon-samarbejde, gruppen, der opdagede den. Og indtil for nylig var videnskabsmænd ikke sikre på, hvad der forårsagede det.
To partikler i en kerne trækkes typisk sammen af en kraft på omkring 8 millioner elektron volt (8 MeV), et mål for energi i partikler. Kvarker i en proton eller neutron er bundet sammen af ca. 1.000 MeV. Så det giver ikke mening, at de relativt milde interaktioner mellem kernen dramatisk påvirker de stærke interaktioner inde i kvarkerne, fortalte Hen til Live Science.
"Hvad er otte ved siden af 1.000?" han sagde.
Men EMC-effekten ligner ikke et mildt skub fra en ekstern styrke. Selvom det varierer fra en slags kerne til den næste, "Det er ikke som en halv procent. Effekten springer ud af dataene, når du først er kreativ til at designe et eksperiment til at se efter det," sagde Hen.
Afhængig af den involverede kerne kan den tilsyneladende størrelse af nukleonerne (som er en funktion af deres hastighed) ændre sig med 10 til 20 procent. I en guldkerne er for eksempel protoner og neutroner 20 procent mindre end de er, når de flyder frit.
Teoretikere kom med mange forskellige modeller for at forklare, hvad der foregik her, sagde Hen.
"En af mine venner spøgte med, at EMC stod for 'Everybody's Model is Cool', fordi hver model syntes, som om den kunne forklare det," sagde han.
Men over tid gjorde fysikere flere eksperimenter, testede de forskellige modeller, og den ene efter den anden faldt væk.
"Ingen kunne forklare alle dataene, og vi sad med et stort puslespil. Vi har en masse data nu, målinger af, hvordan kvarkerne bevæger sig i alle slags forskellige kerner, og vi kunne ikke forklare, hvad der foregik ," han sagde.
I stedet for at forsøge at forklare alt puslespillet på én gang besluttede Hen og hans kolleger at se på et bare et specielt tilfælde af neutron- og protoninteraktion.
Under de fleste omstændigheder overlapper protoner og neutroner i en kerne ikke hinanden, men respekterer i stedet hinandens grænser - selvom de virkelig bare er systemer med bundne kvarker. Men nogle gange forbindes nukleoner sammen inden i eksisterende kerne og begynder kort, fysisk at overlappe hinanden, hvilket bliver, hvad forskere kalder "korrelerede par." På ethvert tidspunkt overlapper ca. 20 procent af nukleoner i en kerne på denne måde.
Når det sker, flyder enorme mængder energi mellem kvarkerne, hvilket grundlæggende ændrer deres bundne struktur og opførsel - et fænomen forårsaget af den stærke kraft. I et papir, der blev offentliggjort 20. februar i tidsskriftet Nature, argumenterede forskerne for, at denne energistrøm præcist står for EMC-effekten.
Holdet bombarderede masser af forskellige typer kerner med elektroner og fandt et direkte forhold mellem disse nukleonpar og EMC-effekten.
Deres data antyder stærkt, sagde Hen, at kvarkerne i de fleste nukleoner ikke ændrer sig overhovedet, når de kommer ind i en kerne. Men de få involverede i nukleonpar ændrer deres opførsel så dramatisk, at de skæver de gennemsnitlige resultater i ethvert eksperiment. At mange kvarker pakket ind i et så lille rum forårsager nogle dramatiske stærke kraftvirkninger. EMC-effekten er resultatet af bare et mindretal af anomalier, snarere end en ændring af opførslen af alle protoner og neutroner.
Fra dataene afledte teamet en matematisk funktion, der nøjagtigt beskriver, hvordan EMC-effekten opfører sig fra en kerne til den næste.
"De lavede en forudsigelse, og deres forudsigelse blev mere eller mindre bekræftet," sagde Gerald Feldman, en fysiker ved George Washington University, som skrev en ledsagende artikel om News & Views i det samme nummer af Nature, men ikke var involveret i forskningen.
Det er stærkt bevis for, at denne parringseffekt er det rigtige svar på EMC-mysteriet, fortalte Feldman til Live Science.
Efter 35 år ser partikelfysikerne ud til at have løst dette problem med for mange ikke-gode løsninger. Hen sagde, at han og hans kolleger allerede har opfølgende eksperimenter, der er planlagt til at undersøge spørgsmålet endnu dybere og afsløre nye ukendte sandheder om opførsel af sammenkoblede nukleoner inden i atomer.
