Berikut adalah kebenaran misteri yang diketahui saintis sejak tahun 1983: Proton dan neutron bertindak berbeza apabila mereka berada di dalam atom, berbanding dengan terapung secara bebas melalui ruang angkasa. Khususnya, zarah-zarah subatomik yang membentuk proton dan neutron, yang dipanggil kuark, perlahan secara besar-besaran apabila ia hanya terhad kepada nukleus dalam atom.
Fizik tidak begitu menyukai ini, kerana neutron adalah neutron sama ada ia berada di dalam atom atau tidak. Dan proton adalah proton. Kedua-dua proton dan neutron (yang bersama-sama membentuk kelas zarah yang dipanggil "nukleon") terdiri daripada tiga zarah yang lebih kecil, yang dipanggil kuark, diikat bersama oleh kekuatan yang kuat.
"Apabila anda meletakkan quark ke dalam nukleus, mereka mula bergerak lebih perlahan, dan itu sangat pelik," kata penulis kajian Or Or, seorang ahli fizik di Massachusetts Institute of Technology. Itu adalah pelik kerana interaksi yang kuat antara quark terutamanya menentukan kelajuan mereka, sedangkan tentera yang mengikat nukleus (dan juga bertindak pada quarks di dalam nukleus) sepatutnya sangat lemah, tambah Hen.
Dan tidak ada kuasa lain yang diketahui yang harus mengubah tingkah laku kuark dalam nukleus begitu kuat. Walau bagaimanapun, kesannya kekal: Fizik zarah memanggilnya kesan EMC, dinamakan untuk Kerjasama Muon Eropah, kumpulan yang menemuinya. Dan sehingga baru-baru ini, saintis tidak pasti apa yang menyebabkannya.
Dua zarah dalam nukleus biasanya ditarik bersama oleh kuasa sekitar 8 juta volt elektron (8 MeV), satu ukuran tenaga dalam zarah. Quarks dalam proton atau neutron dikumpulkan bersama dengan kira-kira 1,000 MeV. Oleh itu, tidak masuk akal bahawa interaksi yang agak sederhana nukleus memberi kesan dramatik terhadap interaksi yang kuat di dalam kuark, Hen memberitahu Sains Live.
"Berapakah lapan angka seterusnya 1,000?" katanya.
Tetapi kesan EMC tidak kelihatan seperti gerak lembut dari kuasa luar. Walaupun ia bervariasi dari satu jenis nukleus ke seterusnya, "Ia tidak seperti separuh peratus. Kesannya muncul daripada data sebaik sahaja anda cukup kreatif untuk mereka bentuk percubaan untuk mencarinya," kata Hen.
Bergantung pada nukleus yang terlibat, saiz nukleon yang jelas (yang merupakan fungsi kelajuan mereka) boleh berubah sebanyak 10 hingga 20 peratus. Dalam nukleus emas, sebagai contoh, proton dan neutron adalah 20 peratus lebih kecil daripada mereka ketika mereka melayang dengan bebas.
Theoreticians datang dengan banyak model yang berbeza untuk menjelaskan apa yang berlaku di sini, kata Hen.
"Seorang rakan saya bergurau bahawa EMC berdiri untuk 'Model Setiap orang adalah Cool' kerana setiap model kelihatan seperti dapat menjelaskannya," katanya.
Tetapi dari masa ke masa, ahli fizik melakukan lebih banyak eksperimen, menguji model-model yang berbeza, dan satu demi satu jatuh.
"Tidak ada yang dapat menjelaskan semua data, dan kami ditinggalkan dengan teka-teki besar. Kami mempunyai banyak data sekarang, pengukuran bagaimana kuark bergerak ke dalam pelbagai jenis nukleus yang berlainan, dan kami tidak dapat menjelaskan apa yang berlaku , "katanya.
Daripada cuba menjelaskan semua teka-teki sekaligus, Hen dan rakan-rakannya memutuskan untuk melihat satu-satunya kes khas neutron dan interaksi proton.
Dalam kebanyakan keadaan, proton dan neutron di dalam nukleus tidak bertindih antara satu sama lain, malah menghormati sempadan satu sama lain - walaupun mereka benar-benar hanya sistem kuark terikat. Tetapi kadang-kadang, nukleon dihubungkan bersama dalam nukleus yang sedia ada, dan mula secara ringkas, secara fizikal bertindih antara satu sama lain, menjadi apa yang disebut para saintis sebagai "pasangan berkorelasi." Pada bila-bila masa, kira-kira 20 peratus nukleon dalam nukleus bertindih dengan cara ini.
Apabila itu berlaku, sejumlah besar tenaga mengalir di antara kuark, secara asasnya mengubah struktur dan tingkah laku terikat mereka - fenomena yang disebabkan oleh kekuatan yang kuat. Dalam makalah yang disiarkan pada 20 Feb di jurnal Nature, para penyelidik berpendapat bahawa aliran tenaga ini justru menyumbang kesan EMC.
Pasukan ini membombardir banyak jenis nukleus dengan elektron, dan mendapati hubungan langsung antara pasangan nukleon ini dan kesan EMC.
Data mereka sangat mencadangkan, kata Hen, bahawa kuark di kebanyakan nukleon tidak berubah sama sekali apabila mereka memasuki nukleus. Tetapi orang-orang yang terlibat dalam pasangan nukleon mengubah tingkah laku mereka secara dramatik sehingga mereka menaikkan hasil purata dalam mana-mana eksperimen. Bahawa banyak quark yang dibuang ke dalam ruang yang kecil itu menyebabkan beberapa kesan kekuatan kuat yang dramatik. Kesan EMC adalah hasil daripada hanya minoritas anomali, dan bukannya perubahan terhadap tingkah laku semua proton dan neutron.
Daripada data, pasukan itu memperoleh fungsi matematik yang secara tepat menerangkan bagaimana kesan EMC bertindak dari satu nukle ke seterusnya.
"Mereka membuat ramalan, dan ramalannya kurang disahkan," kata Gerald Feldman, ahli fizik di George Washington University yang menulis artikel Berita & Pemandangan yang menyertainya dalam isu Nature yang sama tetapi tidak terlibat dalam penyelidikan.
Bukti yang kuat bahawa kesan berpasangan ini adalah jawapan sebenar kepada misteri EMC, Feldman memberitahu Live Science.
Selepas 35 tahun, ahli fizik zarah sepatutnya menyelesaikan masalah ini dengan terlalu banyak penyelesaian tidak baik. Hen berkata beliau dan rakan-rakannya sudah mempunyai eksperimen susulan yang dirancang untuk menyiasat isu itu dengan lebih mendalam, dan mendedahkan kebenaran baru yang tidak diketahui mengenai tingkah laku nukleon berpasangan di dalam atom.
