הנה אמת מסתורית שידעו מדענים מאז 1983: פרוטונים ונויטרונים פועלים בצורה שונה כאשר הם בתוך אטום, לעומת צפים בחופשיות בחלל. באופן ספציפי, החלקיקים התת-אטומיים המרכיבים את הפרוטונים והנויטרונים האלה, המכונים קווארקים, מאטים מאסיבית ברגע שהם מוגבלים בגרעין באטום.
הפיזיקאים באמת לא אהבו את זה, כי נויטרונים הם נויטרונים בין אם הם בתוך אטום או לא. ופרוטונים הם פרוטונים. גם הפרוטונים וגם הנויטרונים (המרכיבים יחד את מעמד החלקיקים המכונים "נוקלאונים") מורכבים משלושה חלקיקים קטנים יותר, הנקראים קווארקים, המחוברים יחד על ידי הכוח החזק.
"כשמכניסים קווארקים לגרעין, הם מתחילים להתקדם לאט יותר וזה מוזר מאוד", אמר מחבר המחקר אור חן, פיזיקאי במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. זה מוזר מכיוון שהאינטראקציות החזקות בין קווארקים קובעות בעיקר את מהירותן, ואילו כוחות המחייבים את הגרעין (וגם פועלים על קווארקים בתוך הגרעין) אמורים להיות חלשים מאוד, הוסיף חן.
ואין שום כוח ידוע אחר שצריך לשנות את התנהגות הקווארקים בגרעין בצורה כה אינטנסיבית. עם זאת, ההשפעה נותרה: פיסיקאים של חלקיקים מכנים זאת אפקט EMC, שנקרא על שם שיתוף הפעולה האירופי האירופי, הקבוצה שגילה אותו. ועד לאחרונה המדענים לא היו בטוחים מה גרם לזה.
שני חלקיקים בגרעין נמשכים בדרך כלל על ידי כוח של בערך 8 מיליון וולט אלקטרוני (8 MeV), מדד לאנרגיה בחלקיקים. קוורקים בפרוטון או בנויטרון קשורים זה לזה בכאלף MeV. כך שלא הגיוני שהאינטראקציות הקלות יחסית של הגרעין משפיעות באופן דרמטי על האינטראקציות החזקות בתוך הקווארקים, אמר חן ל- Live Science.
"מה זה שמונה ליד 1,000?" הוא אמר.
אבל אפקט ה- EMC לא נראה כמו דחיפה קלה מכוח חיצוני. למרות שזה משתנה מגרעין אחד למשנהו, "זה לא כמו חצי אחוז. ההשפעה יוצאת מהנתונים ברגע שאתה יצירתי מספיק כדי לעצב ניסוי כדי לחפש אותו," אמר חן.
בהתאם לגרעין המעורב, הגודל לכאורה של הגרעינים (שהוא פונקציה של מהירותם) יכול להשתנות בעשרה עד 20 אחוזים. בגרעין זהב, למשל, פרוטונים ונויטרונים קטנים יותר ב 20 אחוז מהם כאשר הם צפים בחופשיות.
תיאורטיקנים העלו המון דגמים שונים כדי להסביר מה קורה כאן, אמר חן.
"חבר שלי התבדח ש- EMC עמדה בעד 'כולם מודלים זה מגניב' מכיוון שכל דוגמנית נראתה כאילו היא יכולה להסביר את זה", אמר.
אך עם הזמן, פיזיקאים עשו ניסויים נוספים, בדקו את אותם דגמים שונים, ואחד אחרי השני נפל.
"אף אחד לא יכול היה להסביר את כל הנתונים, ונשארנו עם חידה גדולה. יש לנו הרבה נתונים עכשיו, מדידות של איך הקווארקים נעים בכל מיני גרעינים שונים, ולא יכולנו להסביר מה קורה ," הוא אמר.
במקום לנסות להסביר את כל הפאזל בבת אחת, חן ועמיתיו החליטו להסתכל על מקרה מיוחד אחד בלבד של אינטראקציה בין נויטרונים ופרוטונים.
ברוב הנסיבות, פרוטונים ונויטרונים בגרעין אינם חופפים זה לזה, אלא מכבדים זה את גבולותיו של זה - למרות שהם באמת רק מערכות של קווארקים כבולים. אך לעיתים, גרעינים מתקשרים זה לזה בתוך הגרעין הקיים, ומתחילים בקצרה, חופפים זה לזה פיזית, והופכים למה שמדענים מכנים "זוגות מתואמים". בכל רגע כ- 20 אחוז מהגרעינים בגרעין חופפים בדרך זו.
כשזה קורה, כמויות אדירות של אנרגיה זורמות בין הקווארקים, ומשנות מהותית את המבנה והתנהגותן הכבולות - תופעה הנגרמת על ידי הכוח החזק. במאמר שפורסם ב -20 בפברואר בכתב העת Nature, החוקרים טענו כי זרימת האנרגיה הזו מהווה בדיוק את השפעת ה- EMC.
הצוות הפציץ הרבה סוגים שונים של גרעינים באמצעות אלקטרונים, ומצא קשר ישיר בין זוגות גרעינים אלה לבין השפעת EMC.
הנתונים שלהם מצביעים מאוד על כך, אמר חן, כי הקווארקים ברוב הגרעינים אינם משתנים כלל כאשר הם נכנסים לגרעין. אך מעטים המעורבים בזוגות נוקלאונים משנים את התנהגותם באופן דרמטי עד שהם גוררים את התוצאות הממוצעות בכל ניסוי כלשהו. שרוב הקווארקים הארוזים בחלל כה קטן גורמים לכמה השפעות כוח חזקות דרמטיות. השפעת ה- EMC היא תוצאה של מיעוט חריגות בלבד, ולא שינוי בהתנהגותם של כל הפרוטונים והנויטרונים.
מהנתונים, הצוות הציג פונקציה מתמטית המתארת במדויק את אופן התנהגות ה- EMC מגרעין אחד למשנהו.
ג'רלד פלדמן, פיזיקאי מאוניברסיטת ג'ורג 'וושינגטון שכתב מאמר מלווה ב- News & Views באותו גליון של הטבע אך לא היה מעורב במחקר.
עדות חזקה לכך שאפקט ההתאמה הזה הוא התשובה האמיתית לתעלומת EMC, אמר פלדמן ל- Live Science.
לאחר 35 שנה נראה כי פיסיקאים של חלקיקים פתרו את הבעיה הזו עם יותר מדי פתרונות לא טובים. חן אמר שהוא ועמיתיו כבר ניסויי מעקב שתכננו לבדוק את הנושא עוד יותר לעומק ולחשוף אמיתות לא ידועות חדשות על התנהגותם של גרעינים מזוודים בתוך אטומים.
