Tiada siapa yang benar-benar tahu apa yang berlaku di dalam atom. Tetapi dua kumpulan saintis yang bersaing berpendapat bahawa mereka telah menganggapnya. Dan kedua-duanya berlumba-lumba untuk membuktikan bahawa penglihatan mereka sendiri betul.
Berikut adalah apa yang kita tahu pasti: Elektrik memikul "orbitals" dalam shell luar atom. Kemudian ada banyak ruang kosong. Dan kemudian, di tengah-tengah ruang itu, terdapat nukleus kecil - simpul proton dan neutron yang padat yang memberi atom paling banyak jisimnya. Mereka proton dan kluster neutron bersama-sama, terikat oleh apa yang dipanggil kekuatan yang kuat. Dan bilangan proton dan neutron menentukan sama ada atom adalah besi atau oksigen atau xenon, dan sama ada radioaktif atau stabil.
Namun, tiada siapa yang tahu bagaimana proton dan neutron (bersama-sama dikenali sebagai nukleon) berkelakuan di dalam atom. Di luar atom, proton dan neutron mempunyai saiz dan bentuk yang pasti. Setiap daripada mereka terdiri daripada tiga zarah yang lebih kecil yang disebut kuark, dan interaksi antara kuark begitu sengit sehingga tidak ada kekuatan luar yang dapat mengubah mereka, bahkan tidak berkuasa antara zarah dalam nukleus. Tetapi selama beberapa dekad, para penyelidik telah mengetahui bahawa teori itu salah dalam beberapa cara. Eksperimen telah menunjukkan bahawa, di dalam nukleus, proton dan neutron kelihatan lebih besar daripada yang seharusnya. Fizik telah membangunkan dua teori bersaing yang cuba menjelaskan ketidakpadanan pelik, dan penyokong masing-masing agak pasti yang lain tidak betul. Kedua-dua kem bersetuju, bagaimanapun, bahawa apa jua jawapan yang betul, ia mesti datang dari medan di luar mereka sendiri.
Sejak sekurang-kurangnya tahun 1940-an, ahli fizik telah mengetahui bahawa nukleon bergerak dalam orbital kecil yang ketat di dalam nukleus, Gerald Miller, ahli fizik nuklear di Universiti Washington, memberitahu Live Science. Nukleon, terkurung dalam gerakan mereka, mempunyai tenaga yang sangat sedikit. Mereka tidak banyak melantun, ditahan oleh kekuatan yang kuat.
Pada tahun 1983, ahli fizik di Organisasi Penyelidikan Nuklear Eropah (CERN) melihat sesuatu yang pelik: Rasuk elektron memantul besi dengan cara yang sangat berbeza daripada bagaimana mereka melepaskan proton percuma, kata Miller. Itu tidak dijangka; jika proton di dalam hidrogen adalah saiz yang sama dengan proton di dalam besi, elektron harus melantun dengan cara yang sama.
Pada mulanya, penyelidik tidak tahu apa yang mereka cari.
Tetapi dari masa ke masa, saintis percaya bahawa ia adalah masalah saiz. Atas sebab tertentu, proton dan neutron di dalam nukleus berat bertindak seolah-olah mereka lebih besar daripada ketika mereka berada di luar nukleus. Penyelidik memanggil fenomena ini kesan EMC, selepas Kolaborasi Muon Eropah - kumpulan yang secara tidak sengaja menemuinya. Ia melanggar teori sedia ada fizik nuklear.
Atau Hen, seorang ahli fizik nuklear di MIT, mempunyai ide yang berpotensi untuk menjelaskan apa yang sedang berlaku.
Semasa kuark, zarah subatom yang membentuk nukleon, berinteraksi dengan kuat dalam proton atau neutron yang diberikan, kuark dalam proton dan neutron yang berbeza tidak boleh berinteraksi dengan satu sama lain, katanya. Kekuatan yang kuat di dalam nukleon sangat kuat sehingga menggergaji nukleon yang kuat memegang nukleon lain.
"Bayangkan duduk di dalam bilik anda bercakap dengan dua rakan anda dengan tingkap ditutup," kata Hen.
Ketiga-tiga di dalam bilik itu adalah tiga quark di dalam neutron atau proton.
"Angin angin bertiup di luar," katanya.
Angin cahaya itu ialah daya memegang proton atau neutron ke nukleon berdekatan yang berada di luar tingkap. Sekalipun sedikit tersangkut melalui tingkap tertutup, Hen berkata, ia tidak akan menjejaskan anda.
Dan selagi nukleon tinggal di orbital mereka, itulah yang berlaku. Walau bagaimanapun, katanya, eksperimen baru-baru ini telah menunjukkan bahawa pada suatu masa tertentu, kira-kira 20% daripada nukleon dalam nukleus sebenarnya adalah di luar orbital mereka. Sebaliknya, mereka dipasangkan dengan nukleon lain, berinteraksi dalam "korelasi jarak pendek." Di bawah keadaan itu, interaksi antara nukleon adalah tenaga yang lebih tinggi daripada biasa, katanya. Ini kerana kuark menyodok melalui dinding nukleon masing-masing dan mula berinteraksi secara langsung, dan interaksi quark-quark ini lebih berkuasa daripada interaksi nukleon nukleon.
Interaksi ini memecah dinding memisahkan quark di dalam proton atau neutron masing-masing, kata Hen. Quarks yang membentuk satu proton dan kuark yang membentuk proton mula untuk menempati ruang yang sama. Ini menyebabkan proton (atau neutron, seperti yang berlaku) untuk meregangkan dan mengaburkan, kata Hen. Mereka bertambah banyak, walaupun dalam masa yang singkat. Ia merangkumi saiz rata-rata keseluruhan kohort dalam nukleus - menghasilkan kesan EMC.
Kebanyakan ahli fizik kini menerima interpretasi kesan EMC ini, kata Hen. Dan Miller, yang bekerja dengan Hen pada beberapa penyelidikan utama, bersetuju.
Tetapi tidak semua orang menganggap kumpulan Hen mempunyai masalah yang telah diusahakan. Ian Cloët, seorang ahli fizik nuklear di Makmal Kebangsaan Argonne di Illinois, berkata beliau berpendapat kerja Hen menunjukkan kesimpulan bahawa data itu tidak sepenuhnya menyokong.
"Saya fikir kesan EMC masih belum dapat diselesaikan," kata Cloet kepada Sains Live. Itulah kerana model asas fizik nuklear sudah banyak menyenaraikan Hen berpasangan. Namun, "jika anda menggunakan model itu untuk mencuba dan melihat kesan EMC, anda tidak akan menggambarkan kesan EMC. Tidak ada penjelasan yang berjaya tentang kesan EMC menggunakan rangka kerja itu, jadi pada pandangan saya, masih terdapat misteri."
Hen dan rakan-rakannya melakukan kerja-kerja eksperimen yang "berani" dan "sains yang sangat baik," katanya. Tetapi ia tidak sepenuhnya menyelesaikan masalah nukleus atom.
"Apa yang jelas ialah model fizik nuklear tradisional ... tidak dapat menjelaskan kesan EMC ini," katanya. "Kami kini fikir bahawa penjelasan itu mesti datang dari QCD sendiri."
QCD bermaksud kromodinamik kuantum - sistem peraturan yang mengawal kelakuan kuark. Beralih dari fizik nuklear ke QCD agak seperti melihat gambar yang sama dua kali: sekali pada telefon flip generasi pertama - iaitu fizik nuklear - dan sekali lagi pada TV resolusi tinggi - itulah kromodinamik kuantum. TV tinggi menawarkan lebih banyak butiran, tetapi lebih rumit untuk membina.
Masalahnya ialah bahawa persamaan QCD yang lengkap yang menghuraikan semua kuark dalam nukleus terlalu sukar untuk diselesaikan, kata Cloët dan Hen. Superkomputer moden kira-kira 100 tahun jauh dari cukup pantas untuk tugas itu, Cloët dianggarkan. Dan walaupun superkomputer cukup pantas hari ini, persamaan itu tidak maju ke titik di mana anda boleh memasukkannya ke dalam komputer, katanya.
Namun, katanya, ia mungkin untuk bekerja dengan QCD untuk menjawab beberapa soalan. Dan sekarang, katanya, jawapan tersebut menawarkan penjelasan yang berbeza untuk kesan EMC: Teori Bidang Asas Nuklear.
Dia tidak bersetuju bahawa 20% nukleon dalam nukleus terikat dalam korelasi jarak pendek. Eksperimen itu tidak membuktikannya, katanya. Dan ada masalah teoritis dengan idea itu.
Itu menunjukkan kita memerlukan model yang berbeza, katanya.
"Gambar yang saya ada, kita tahu bahawa di dalam nukleus adalah kekuatan nuklear yang sangat kuat ini," kata Cloët. Ini adalah "sedikit seperti medan elektromagnet, kecuali mereka bidang kuasa kuat."
Bidang ini beroperasi pada jarak yang kecil sehingga magnitud yang diabaikan di luar nukleus, tetapi mereka kuat di dalamnya.
Dalam model Cloët, medan-medan tenaga ini, yang mana ia sebut sebagai "medan bermakna" (untuk kekuatan gabungan yang mereka bawa) sebenarnya mengubah struktur internal proton, neutron dan pion (sejenis zarah yang membawa kekuatan kuat).
"Sama seperti jika anda mengambil atom dan anda memasukkannya ke dalam medan magnet yang kuat, anda akan mengubah struktur dalaman atom itu," kata Cloët.
Dalam erti kata lain, ahli teori medan ertinya berfikir bilik yang dimeteraikan Hen digambarkan mempunyai lubang di dindingnya, dan angin bertiup untuk mengetuk quarks di sekeliling, membentangkannya.
Cloët mengakui bahawa kemungkinan korelasi jarak pendek mungkin menjelaskan beberapa bahagian kesan EMC, dan Hen berkata bidang min yang mungkin juga berperanan.
"Persoalannya, yang menguasai," kata Cloet.
Miller, yang juga bekerja dengan luas dengan Cloët, mengatakan bahawa bidang min mempunyai kelebihan menjadi lebih baik dalam teori. Tetapi Cloet belum lagi melakukan semua perhitungan yang diperlukan, katanya.
Dan sekarang berat bukti eksperimen menunjukkan bahawa Hen mempunyai argumen yang lebih baik.
Hen dan Cloet kedua-duanya berkata hasil eksperimen dalam beberapa tahun akan datang dapat menyelesaikan persoalan itu. Hen mengutip percubaan di Jefferson National Accelerator Facility di Virginia yang akan memindahkan nukleon lebih dekat bersama-sama, sedikit demi sedikit, dan membolehkan para penyelidik menontonnya berubah. Cloet berkata beliau mahu melihat "percubaan EMC polarisasi" yang akan memecah kesan berdasarkan putaran (sifat kuantum) daripada proton yang terlibat. Ia mungkin mendedahkan butiran kesan yang boleh membantu pengiraan, katanya.
Ketiga-tiga penyelidik menekankan bahawa perbahasan itu mesra.
"Ia hebat, kerana itu bermakna kita masih membuat kemajuan," kata Miller. "Akhirnya, sesuatu yang akan berada dalam buku teks dan permainan bola berakhir ... Hakikat bahawa terdapat dua idea yang bersaing bermakna ia menarik dan bersemangat. Dan kini akhirnya kami mempunyai alat percubaan untuk menyelesaikan masalah ini."
