Natuurkundigen hebben net een 35-jarige mysterie verborgen in de atoomkernen opgelost


Hier is een mysterieuze waarheid die wetenschappers sinds 1983 hebben gekend: protonen en neutronen werken anders wanneer ze zich in een atoom bevinden, versus vrij door de ruimte zweven. In het bijzonder vertragen de subatomaire deeltjes waaruit die protonen en neutronen bestaan, quarks genoemd, enorm wanneer ze zich beperken tot een kern in een atoom.

Natuurkundigen hielden echt niet van dit, omdat neutronen neutronen zijn, of ze nu in een atoom zitten of niet. En protonen zijn protonen. Zowel protonen als neutronen (die samen de klasse vormen van deeltjes die "nucleonen" worden genoemd) bestaan ​​uit drie kleinere deeltjes, quarks genaamd, die samen worden gebonden door de sterke kracht.

"Wanneer je quarks in een kern plaatst, gaan ze langzamer bewegen, en dat is heel raar", zei co-auteur Or Hen, een fysicus aan het Massachusetts Institute of Technology. Dat is vreemd, omdat de krachtige interacties tussen quarks voornamelijk hun snelheid bepalen, terwijl krachten die de kern binden (en ook op quarks in de kern werken) heel zwak moeten zijn, voegde Hen eraan toe.

En er is geen andere bekende kracht die het gedrag van quarks in een kern zo intensief zou moeten aanpassen. Toch blijft het effect behouden: deeltjesfysici noemen dit het EMC-effect, genoemd naar de Europese Muon-samenwerking, de groep die het ontdekte. En tot voor kort wisten wetenschappers niet wat de oorzaak was. [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

Twee deeltjes in een kern worden meestal samengetrokken door een kracht van ongeveer 8 miljoen elektronvolt (8 MeV), een maat voor energie in deeltjes. Quarks in een proton of neutron worden samengebonden door ongeveer 1.000 MeV. Het is dus niet logisch dat de relatief milde interacties van de kern een dramatische invloed hebben op de krachtige interacties binnen quarks, vertelde Hen aan Live Science.

"Wat is acht naast 1.000?" hij zei.

Maar het EMC-effect lijkt niet op een zachte duw van een externe kracht. Hoewel het varieert van het ene soort nucleus tot het volgende, "Het is niet als een half procent. Het effect springt eruit als je creatief genoeg bent om een ​​experiment te ontwerpen om ernaar te zoeken", zei Hen.

Afhankelijk van de betrokken kern kan de schijnbare grootte van de nucleonen (die een functie is van hun snelheid) met 10 tot 20 procent veranderen. In een gouden kern zijn protonen en neutronen bijvoorbeeld 20 procent kleiner dan wanneer ze vrij zweven.

Theoretici kwamen met veel verschillende modellen om uit te leggen wat hier gebeurde, zei Hen.

"Een vriend van me maakte grapjes dat EMC stond voor 'Everybody's Model is cool' omdat elk model leek dat het het kon verklaren, 'zei hij.

Maar in de loop van de tijd deden fysici meer experimenten, testten die verschillende modellen en viel de een na de ander weg.

"Niemand kon alle gegevens uitleggen, en we bleven achter met een grote puzzel. We hebben nu veel gegevens, metingen van hoe de quarks zich in allerlei verschillende kernen bewegen en we konden niet uitleggen wat er aan de hand was. ," hij zei.

In plaats van te proberen de puzzel in één keer uit te leggen, besloten Hen en zijn collega's naar een juist geval van neutronen- en protoneninteractie te kijken.

Onder de meeste omstandigheden overlappen protonen en neutronen in een kern elkaar niet, maar respecteren ze elkaars grenzen – ook al zijn het eigenlijk gewoon systemen van gebonden quarks. Maar soms raken nucleonen met elkaar verbonden binnen de bestaande kern en beginnen ze kortstondig fysiek met elkaar te overlappen, waardoor ze worden wat wetenschappers 'gecorreleerde paren' noemen. Op elk moment overlapt ongeveer 20 procent van nucleonen in een kern op deze manier.

Wanneer dat gebeurt, stroomt er een enorme hoeveelheid energie tussen de quarks, waardoor hun gebonden structuur en gedrag fundamenteel veranderen – een fenomeen veroorzaakt door de sterke kracht. In een artikel dat op 20 februari in het tijdschrift Nature werd gepubliceerd, voerden de onderzoekers aan dat deze energiestroom precies het EMC-effect verklaart. [The Standard Model of Particle Physics]

Het team bombardeerde veel verschillende soorten kernen met elektronen en vond een directe relatie tussen deze nucleonparen en het EMC-effect.

Hun gegevens suggereren sterk, zei Hen, dat de quarks in de meeste nucleonen helemaal niet veranderen wanneer ze een kern binnengaan. Maar die paar die betrokken zijn bij nucleonparen veranderen hun gedrag zo dramatisch dat ze de gemiddelde resultaten in elk experiment scheeftrekken. Dat veel quarks die in zo'n kleine ruimte zijn verpakt, sommige dramatische sterke krachteffecten veroorzaken. Het EMC-effect is het resultaat van slechts een minderheid van anomalieën, in plaats van een verandering in het gedrag van alle protonen en neutronen.

Uit de gegevens heeft het team een ​​wiskundige functie afgeleid die nauwkeurig beschrijft hoe het EMC-effect zich van de ene kern naar de volgende gedraagt.

"Ze [the authors of the paper] een voorspelling gedaan en hun voorspelling min of meer bevestigd, "zei Gerald Feldman, een natuurkundige aan de George Washington University die een begeleidend News & Views-artikel schreef in dezelfde uitgave van Nature, maar niet betrokken was bij het onderzoek.

Dat is een sterk bewijs dat dit paareffect het echte antwoord is op het EMC-mysterie, vertelde Feldman aan Live Science.

Na 35 jaar lijken deeltjesfysici dit probleem te hebben opgelost met te veel niet-goede oplossingen. Hen zei dat hij en zijn collega's al vervolg-experimenten gepland hebben om het onderwerp nog dieper te onderzoeken, en nieuwe onbekende waarheden te onthullen over het gedrag van gepaarde-up nucleons in atomen.

Oorspronkelijk gepubliceerd op Live Science.