יש מסתורין ענק המסתתר בכל אטום ביקום

אף אחד לא יודע באמת מה קורה בתוך אטום. אבל שתי קבוצות מדענים מתחרות חושבות שהבינו את זה. ושניהם מרוצים להוכיח שהחזון שלהם נכון.

הנה מה שאנחנו יודעים בוודאות: אלקטרונים מסתובבים סביב "אורביטלים" בקליפה החיצונית של האטום. ואז יש המון מקום ריק. ואז, במרכז אותו חלל, יש גרעין זעיר - קשר צפוף של פרוטונים ונויטרונים המעניקים לאטום את מרבית המסה שלו. הפרוטונים והנויטרונים הללו מתקבצים זה בזה, כבולים במה שמכונה הכוח החזק. ומספרי הפרוטונים והנויטרונים הללו קובעים אם האטום הוא ברזל או חמצן או קסנון, והאם הוא רדיואקטיבי או יציב.

ובכל זאת, איש אינו יודע כיצד הפרוטונים והנויטרונים האלה (הידועים יחד כגרעינים) מתנהגים בתוך אטום. מחוץ לאטום, לפרוטונים ולנויטרונים יש גדלים וצורות מוגדרים. כל אחד מהם מורכב משלושה חלקיקים קטנים יותר הנקראים קווארקים, והאינטראקציה בין אותם קווארקים כה עזים עד ששום כוח חיצוני לא צריך להיות מסוגל לעוות אותם, אפילו לא את הכוחות העוצמתיים בין החלקיקים בגרעין. אך במשך עשרות שנים, החוקרים ידעו כי התיאוריה אינה נכונה בדרך כלשהי. ניסויים הראו כי בתוך גרעין, פרוטונים ונויטרונים נראים גדולים בהרבה ממה שהיה אמור להיות. פיסיקאים פיתחו שתי תיאוריות מתחרות שמנסות להסביר כי אי התאמה מוזרה, וחסידיה של כל אחד בטוחים שהאחר אינו נכון. שני המחנות מסכימים עם זאת כי תהיה התשובה הנכונה אשר תהיה, היא חייבת להגיע משדה שהוא מעבר לשלהם.

מאז שנות הארבעים לפחות, פיזיקאים ידעו שגרעינים נעים באורביטלים קטנים וצרים בתוך הגרעין, אמר ג'רלד מילר, פיזיקאי גרעיני מאוניברסיטת וושינגטון, ל- Live Science. לגרעינים, המרותקים בתנועותיהם, יש מעט מאוד אנרגיה. הם לא מקפצים סביב הרבה, מאופקים על ידי הכוח החזק.

בשנת 1983, פיזיקאים בארגון האירופי לחקר הגרעין (CERN) הבחינו במשהו מוזר: קרני אלקטרונים הקפיצו ברזל באופן ששונה מאוד ממה שהקפיץ פרוטונים חופשיים, אמר מילר. זה היה בלתי צפוי; אם הפרוטונים בתוך המימן היו באותו גודל כמו הפרוטונים בתוך הברזל, האלקטרונים היו צריכים להקפיץ אותו באותה דרך.

בהתחלה החוקרים לא ידעו על מה הם מסתכלים.

אך עם הזמן, המדענים האמינו שזה נושא גודל. משום מה, פרוטונים ונויטרונים בתוך גרעינים כבדים פועלים כאילו הם גדולים בהרבה מאשר כאשר הם נמצאים מחוץ לגרעינים. חוקרים מכנים תופעה זו את השפעת ה- EMC, על שם שיתוף הפעולה האירוני באירופה - הקבוצה שגילה אותה בטעות. זה מפר את התיאוריות הקיימות של פיזיקה גרעינית.

או לחן, פיזיקאי גרעיני ב- MIT, יש רעיון שיכול להסביר מה קורה.

בעוד קווארקים, החלקיקים התת-אטומיים המרכיבים גרעינים, אינטראקציה חזקה בתוך פרוטון או נויטרון נתון, קווארקים בפרוטונים שונים וניוטרונים אינם יכולים לתקשר זה עם זה הרבה, הוא אמר. הכוח החזק בתוך גרעין כל כך חזק שהוא מכפיל את הכוח החזק המחזיק גרעינים לגרעינים אחרים.

"דמיין שאתה יושב בחדר שלך ומדבר עם שניים מחבריך כשהחלונות סגורים," אמר חן.

השלישייה בחדר היא שלושה קווארקים בתוך נויטרון או פרוטון.

"רוח קלה נושבת בחוץ," אמר.

הבריזה הקלה ההיא היא הכוח המחזיק את הפרוטון או הנויטרון לגרעינים סמוכים הנמצאים "מחוץ" לחלון. גם אם קצת יתגנב דרך החלון הסגור, אמר חן, זה בקושי ישפיע עליך.

וכל עוד גרעינים נשארים במסלוליהם, זה המצב. עם זאת, לדבריו, הניסויים האחרונים הראו כי בכל זמן נתון, כ- 20% מהגרעינים בגרעין נמצאים למעשה מחוץ למסלוליהם. במקום זאת, הם משויכים עם גרעינים אחרים ומשתתפים פעולה עם "מתאם לטווח קצר". בנסיבות אלה, האינטראקציות בין הגרעינים הם אנרגיה גבוהה בהרבה מהרגיל, אמר. הסיבה לכך היא שהקווארקים נועצים דרך קירות הגרעינים האישיים שלהם ומתחילים ליצור אינטראקציה ישירה, והאינטראקציות הקווארק-קווארק האלה חזקים בהרבה מאינטראקציות עם נוקלאון-נוקלאון.

אינטראקציות אלה מפרקות את הקירות המפרידים בין קווארקים בתוך פרוטונים או נויטרונים בודדים, אמר חן. הקווארקים המרכיבים פרוטון אחד והקווארקים המרכיבים פרוטון אחר מתחילים לתפוס את אותו החלל. זה גורם לפרוטונים (או הנויטרונים, לפי העניין) להתמתח ולהיטשטש, אמר חן. הם גדלים הרבה, גם אם לפרקי זמן קצרים מאוד. זה משוטט את הגודל הממוצע של כל הקבוצה הנמצאת בגרעין - מה שמייצר את אפקט ה- EMC.

רוב הפיזיקאים מקבלים כעת את הפרשנות הזו לאפקט EMC, אמר חן. ומילר, שעבד עם חן על כמה ממחקרי המפתח, הסכים.

אבל לא כולם חושבים שלקבוצה של חן הבעיה הסתדרה. איאן קלייט, פיזיקאי גרעיני במעבדה הלאומית ארגונה באילינוי, אמר שהוא חושב שעבודתו של חן מסיקה מסקנות כי הנתונים אינם תומכים במלואם.

"אני חושב שההשפעה של EMC עדיין לא פתורה", אמרה קלוי ל- Live Science. הסיבה לכך היא שהמודל הבסיסי של הפיזיקה הגרעינית כבר מהווה חלק גדול מהזיווג לטווח הקצר אותו מתאר חן. עם זאת, "אם תשתמש במודל הזה כדי לנסות להסתכל על אפקט EMC, לא תאר את השפעת EMC. אין שום הסבר מוצלח של אפקט EMC תוך שימוש במסגרת זו. כך לדעתי, עדיין יש תעלומה."

חן ומשתפי הפעולה שלו מבצעים עבודות ניסוי "אמיצות" ו"מדע טוב מאוד ", אמר. אבל זה לא פותר באופן מלא את הבעיה של הגרעין האטומי.

"מה שברור הוא שהמודל המסורתי של פיזיקה גרעינית ... לא יכול להסביר את השפעת ה- EMC הזה," אמר. "אנו חושבים שעכשיו ההסבר נובע מ- QCD עצמו."

QCD מייצג כרומודינמיקה קוונטית - מערכת הכללים השולטים בהתנהגות הקווארקים. מעבר מפיזיקה גרעינית ל- QCD זה קצת כמו להסתכל על אותה תמונה פעמיים: פעם בטלפון הנייד מהדור הראשון - זו פיזיקה גרעינית - ואז שוב בטלוויזיה ברזולוציה גבוהה - זה כרומודינמיקה קוונטית. הטלוויזיה בעלת רזולוציה גבוהה מציעה הרבה יותר פירוט, אבל זה הרבה יותר מסובך לבנות.

הבעיה היא שמשוואות ה- QCD השלמות המתארות את כל הקווארקים בגרעין הן קשות מדי לפתרון, אמרו שניהם. מחשבי-על מודרניים רחוקים כמאה שנה מלהיות מספיק מהירים למשימה, העריך קלייט. וגם אם מחשבי-על היו מהירים מספיק היום, המשוואות לא התקדמו עד לנקודה שבה ניתן היה לחבר אותם למחשב, הוא אמר.

ובכל זאת, הוא אמר, אפשר לעבוד עם QCD כדי לענות על כמה שאלות. וכרגע, אמר, התשובות הללו מספקות הסבר אחר להשפעת EMC: תיאוריית שדה גרעיני.

הוא חולק על כך ש 20% מהגרעינים בגרעין קשורים בהתאמות לטווח קצר. הניסויים פשוט לא מוכיחים זאת, אמר. ויש בעיות תיאורטיות עם הרעיון.

זה אומר שאנחנו צריכים מודל אחר, הוא אמר.

"התמונה שיש לי היא שאנחנו יודעים שבתוך גרעין יש כוחות גרעיניים מאוד חזקים אלה", אמרה קלוט. אלה "קצת כמו שדות אלקטרומגנטיים, למעט שהם שדות כוח חזקים."

השדות פועלים במרחקים כה זעירים שהם בעוצמה זניחה מחוץ לגרעין, אך הם עוצמתיים בתוכה.

במודל של Cloët, שדות הכוח הללו, אותם הוא מכנה "שדות ממוצעים" (עבור הכוח המשולב שהם נושאים) מעוותים למעשה את המבנה הפנימי של פרוטונים, נויטרונים ופיונים (סוג של חלקיק נשיאת כוח חזק).

"ממש כמו אם תיקח אטום ותכניס אותו לשדה מגנטי חזק, תשנה את המבנה הפנימי של אותו אטום," אמרה קלייט.

במילים אחרות, תיאורטיקנים בשטח מרושע חושבים שהחדר האטום שחיאר תיאר יש בו חורים בקירותיו, והרוח נושבת פנימה כדי להפיל את הקווארקים ומותח אותם.

קלייט הכירה בכך שקורלציות אפשריות לטווחים קצרים ככל הנראה מסבירות חלק מהאפקט של EMC, והן אמרה כי שדות ממוצעים עשויים למלא גם תפקיד.

"השאלה היא, מה ששולט", אמרה קלוט.

מילר, שעבד רבות גם עם קלוט, אמר כי לתחום הממוצע יש יתרון להיות מבוסס יותר בתיאוריה. אבל קלייט טרם ביצעה את כל החישובים הדרושים, אמר.

וכרגע משקלן של עדויות ניסיוניות עולה כי חן מיטיב עם הטענה.

חן וקלייט אמרו שתיהן כי תוצאות הניסויים בשנים הקרובות עשויות לפתור את השאלה. חן ציטט ניסוי שמתקיים במתקן המאיץ הלאומי של ג'פרסון בווירג'יניה, שיקרב גרעינים קרוב יותר אחד לשני, ויאפשר לחוקרים לצפות בהם משתנים. קלייט אמר שהוא רוצה לראות "ניסוי EMC מקוטב" שישבור את האפקט על סמך הסיבוב (תכונה קוונטית) של הפרוטונים המעורבים. זה עשוי לחשוף פרטים בלתי נראים לגבי ההשפעה שעשויה לסייע בחישובים, אמר.

כל שלושת החוקרים הדגישו כי הדיון ידידותי.

"זה נהדר, כי זה אומר שאנחנו עדיין מתקדמים," אמר מילר. "בסופו של דבר, משהו הולך להיות בספר הלימוד ומשחק הכדור נגמר ... העובדה שיש שני רעיונות מתחרים פירושה שזה מרגש ותוסס. ועכשיו סוף סוף יש לנו את הכלים הניסיוניים לפתור את הבעיות האלה."