Kimse bir atomun içinde ne olduğunu gerçekten bilmiyor. Ancak rakip iki bilim insanı bunu çözdüklerini düşünüyor. Ve her ikisi de kendi vizyonlarının doğru olduğunu kanıtlamak için yarışıyor.
Kesin olarak bildiğimiz şey şu: Elektronlar bir atomun dış kabuğundaki "orbitaller" etrafında dolanıyorlar. Sonra bir sürü boş alan var. Ve sonra, o uzayın tam ortasında, küçük bir çekirdek var - atomun kütlesinin çoğunu veren yoğun bir proton ve nötron düğümü. Bu protonlar ve nötronlar, güçlü kuvvet olarak adlandırılan şeye bağlı olarak kümelenir. Ve bu protonların ve nötronların sayısı atomun demir mi yoksa oksijen mi, ksenon mu olduğunu ve radyoaktif mi yoksa kararlı mı olduğunu belirler.
Yine de, hiç kimse bu protonların ve nötronların (birlikte nükleonlar olarak bilinir) bir atomun içinde nasıl davrandığını bilmiyor. Bir atomun dışında, protonlar ve nötronlar belirli boyutlara ve şekillere sahiptir. Her biri kuark adı verilen üç küçük parçacıktan oluşur ve bu kuarklar arasındaki etkileşimler o kadar yoğundur ki, çekirdekteki parçacıklar arasındaki güçlü kuvvetler bile onları dış kuvvetlerin deforme etmemelidir. Fakat onlarca yıldır araştırmacılar teorinin bir şekilde yanlış olduğunu biliyorlar. Deneyler, bir çekirdeğin içinde, protonların ve nötronların olması gerekenden çok daha büyük göründüğünü göstermiştir. Fizikçiler, garip uyumsuzluğu açıklamaya çalışan iki rakip teori geliştirdiler ve her birinin savunucuları diğerinin yanlış olduğundan oldukça eminler. Ancak her iki kamp da, doğru cevap ne olursa olsun, kendi cevaplarının ötesinde bir alandan gelmesi gerektiği konusunda hemfikirdir.
En azından 1940'lardan beri, fizikçiler nükleonların çekirdek içindeki sıkı küçük orbitallerde hareket ettiğini biliyorlardı, Washington Üniversitesi'nde nükleer fizikçi Gerald Miller Canlı Bilim'e söyledi. Hareketleriyle sınırlı olan nükleonlar çok az enerjiye sahiptir. Güçlü bir güç tarafından kısıtlanan çok fazla zıplamıyorlar.
1983 yılında, Avrupa Nükleer Araştırmalar Örgütü'nün (CERN) fizikçileri garip bir şey fark ettiler: Elektron demetleri demiri serbest protonlardan nasıl zıpladıklarından çok farklı bir şekilde zıpladılar. Bu beklenmedikti; hidrojen içindeki protonlar demir içindeki protonlarla aynı boyuttaysa, elektronlar da aynı şekilde sıçramış olmalıdır.
İlk başta, araştırmacılar neye baktıklarını bilmiyorlardı.
Ancak zamanla, bilim adamları bunun büyük bir sorun olduğuna inanmaya başladılar. Bazı nedenlerden dolayı, ağır çekirdeklerin içindeki protonlar ve nötronlar, çekirdeklerin dışındaki zamanlardan çok daha büyük gibi davranırlar. Araştırmacılar, bu fenomeni Avrupa Muon İşbirliği'nden sonra yanlışlıkla keşfetmiş olan grup EMC etkisi olarak adlandırıyor. Mevcut nükleer fizik teorilerini ihlal ediyor.
Veya MIT'de nükleer fizikçi olan Hen, neler olup bittiğini potansiyel olarak açıklayabilecek bir fikre sahip.
Kuarklar, nükleonları oluşturan atomaltı parçacıklar belirli bir proton veya nötron içinde güçlü bir şekilde etkileşirken, farklı proton ve nötronlardaki kuarklar birbirleriyle çok fazla etkileşime giremezler. Bir nükleonun içindeki güçlü kuvvet o kadar güçlü ki, nükleonları tutan güçlü kuvveti diğer nükleonlara yansıtır.
"Odanızda pencerelerin kapalıyken iki arkadaşınızla konuştuğunuzu düşünün," dedi Hen.
Odadaki üçlü, bir nötron veya proton içindeki üç kuarktır.
"Dışarıda hafif bir esinti esiyor," dedi.
Bu hafif esinti, protonu veya nötronu pencerenin "dışında" olan yakındaki nükleonlara tutan kuvvettir. Kapalı pencereden birazcık gizlenmiş olsa bile, Hen dedi ki, bu sizi zorlukla etkileyecektir.
Ve nükleonlar orbitallerinde kaldıkları sürece, durum böyle. Bununla birlikte, son deneyler, herhangi bir zamanda, bir çekirdekteki nükleonların yaklaşık% 20'sinin aslında orbitallerinin dışında olduğunu gösterdiğini söyledi. Bunun yerine, "kısa menzil korelasyonları" ile etkileşime giren diğer nükleonlarla eşleştirilirler. Bu koşullar altında, nükleonlar arasındaki etkileşimlerin normalden çok daha yüksek enerjili olduğunu söyledi. Çünkü kuarklar kendi nükleonlarının duvarlarından geçer ve doğrudan etkileşime başlar ve bu kuark-kuark etkileşimleri nükleon-nükleon etkileşimlerinden çok daha güçlüdür.
Hen, bu etkileşimlerin, ayrı protonların veya nötronların içindeki kuarkları ayıran duvarları yıktığını söyledi. Bir proton oluşturan kuarklar ve başka bir proton oluşturan kuarklar aynı alanı işgal etmeye başlar. Hen, bunun protonların (veya duruma göre nötronların) gerilmesine ve bulanıklaşmasına neden olduğunu söyledi. Çok kısa süreler de olsa çok büyürler. Bu, çekirdekteki tüm kohortun ortalama boyutunu çarpıtır - EMC etkisi üretir.
Hen, çoğu fizikçi EMC etkisinin bu yorumunu kabul etti. Ve Hen'le bazı önemli araştırmalarda çalışan Miller kabul etti.
Ancak herkes Hen's grubunun sorunun çözüldüğünü düşünmüyor. Illinois'deki Argonne Ulusal Laboratuarı'nda nükleer fizikçi olan Ian Cloët, Hen'in çalışmalarının verilerin tam olarak desteklemediğine dair sonuçlar çıkardığını düşündüğünü söyledi.
"Bence EMC etkisi hala çözülmedi," dedi Cloët Live Science'a. Çünkü nükleer fiziğin temel modeli zaten Hen'in açıkladığı kısa menzilli çiftlerin çoğunu açıklıyor. Ancak, "bu modeli EMC etkisini denemek ve bakmak için kullanırsanız, EMC etkisini tanımlamazsınız. Bu çerçeveyi kullanarak EMC etkisinin başarılı bir açıklaması yoktur. Bu yüzden bence hala bir gizem var."
Hen ve işbirlikçileri "cesur" ve "çok iyi bilim" olan deneysel çalışmalar yapıyorlar. Ancak atom çekirdeği sorununu tam olarak çözmez.
"Açık olan geleneksel nükleer fizik modelinin bu EMC etkisini açıklayamamasıdır." Dedi. "Şimdi açıklamanın QCD'nin kendisinden gelmesi gerektiğini düşünüyoruz."
QCD, kuantum kromodinamik anlamına gelir - kuarkların davranışını yöneten kurallar sistemi. Nükleer fizikten QCD'ye geçiş, aynı resme iki kez bakmak gibidir: bir kez birinci nesil bir flip telefonda - bu nükleer fizik - ve daha sonra yüksek çözünürlüklü bir TV'de - kuantum kromodinamiği. Yüksek çözünürlüklü TV çok daha fazla ayrıntı sunuyor, ancak yapımı çok daha karmaşık.
Sorun şu ki, bir çekirdekteki tüm kuarkları tanımlayan tam QCD denklemlerinin çözülmesi çok zor, Cloët ve Hen her ikisi de dedi. Cloët, modern süper bilgisayarların görev için yeterince hızlı olmaktan yaklaşık 100 yıl uzakta olduğunu tahmin ediyor. Ve süper bilgisayarlar bugün yeterince hızlı olsa bile, denklemler onları bir bilgisayara bağlayabileceğiniz noktaya gelmedi.
Yine de, bazı soruları cevaplamak için QCD ile çalışmanın mümkün olduğunu söyledi. Ve şimdi, bu cevapların EMC etkisi için farklı bir açıklama sunduğunu söyledi: Nükleer Ortalama Alan Teorisi.
Bir çekirdekteki nükleonların% 20'sinin kısa menzilli korelasyonlara bağlı olduğunu kabul etmiyor. Deneyler bunu kanıtlamıyor dedi. Ve fikirle ilgili teorik problemler var.
Bu, farklı bir modele ihtiyacımız olduğunu gösteriyor.
"Sahip olduğum resim, çekirdeğin içinde bu çok güçlü nükleer kuvvetlerin olduğunu biliyoruz," dedi Cloët. Bunlar "kuvvetli kuvvet alanları dışında biraz elektromanyetik alanlardır."
Tarlalar o kadar küçük mesafelerde çalışırlar ki çekirdeğin dışında ihmal edilebilir büyüklüktedirler, fakat içlerinde güçlüdürler.
Cloët modelinde "ortalama alanlar" olarak adlandırdığı bu kuvvet alanları (taşıdıkları birleşik güç için) aslında protonların, nötronların ve piyonların (bir tür güçlü kuvvet taşıyan parçacık) iç yapısını deforme eder.
"Tıpkı bir atom alır ve onu güçlü bir manyetik alana koyarsanız, o atomun iç yapısını değiştirirsiniz," dedi Cloët.
Başka bir deyişle, ortalama alan teorisyenleri Hen'in tarif ettiği kapalı odada duvarlarında delikler olduğunu düşünüyor ve rüzgar kuarkları devirmek için etrafa esiyor.
Cloët, kısa menzilli korelasyonların muhtemelen EMC etkisinin bir kısmını açıkladığını kabul etti ve Hen, ortalama alanların da muhtemelen bir rol oynadığını söyledi.
"Soru hakimdir," dedi Cloët.
Cloët ile de yoğun bir şekilde çalışmış olan Miller, ortalama alanın teoride daha iyi dayanma avantajına sahip olduğunu söyledi. Ancak Cloët henüz gerekli tüm hesaplamaları yapmadı.
Ve şu anda deneysel kanıtların ağırlığı, Hen'in argümandan daha iyi olduğunu gösteriyor.
Hen ve Cloët, önümüzdeki birkaç yıldaki deneylerin sonuçlarının sorunu çözebileceğini söyledi. Hen, Virginia'daki Jefferson Ulusal Hızlandırıcı Tesisi'nde, nükleonları biraz daha yakınlaştıracak, yavaş yavaş araştıracak ve araştırmacıların değişimlerini izlemelerine izin verecek bir denemeye atıfta bulundu. Cloët, ilgili protonların spinine (kuantum özelliği) dayanarak etkisi bozacak bir "polarize EMC deneyi" görmek istediğini söyledi. Yetkili, hesaplamalara yardımcı olabilecek etkinin görünmeyen ayrıntılarını açığa çıkarabileceğini söyledi.
Her üç araştırmacı da tartışmanın dostane olduğunu vurguladı.
"Harika, çünkü bu hala ilerleme kaydettiğimiz anlamına geliyor," dedi Miller. "Sonunda, ders kitabında bir şeyler olacak ve top oyunu sona erecek ... İki rakip fikir olması, heyecan verici ve canlı olduğu anlamına geliyor. Ve şimdi sonunda bu sorunları çözmek için deneysel araçlarımız var."
