Ingen vet egentlig hva som skjer inne i et atom. Men to konkurrerende grupper av forskere tror de har funnet ut av det. Og begge konkurrerer for å bevise at deres egen visjon er riktig.
Her er hva vi vet med sikkerhet: Elektroner suser rundt "orbitaler" i et atoms ytre skall. Så er det en hel del tom plass. Og så, midt i sentrum av det rommet, er det en bitteliten kjerne - en tett knute av protoner og nøytroner som gir atomet mesteparten av sin masse. Disse protonene og nøytronene klynger seg sammen, bundet av det som kalles den sterke styrken. Og antall protoner og nøytroner bestemmer om atomet er jern eller oksygen eller xenon, og om det er radioaktivt eller stabilt.
Fortsatt er det ingen som vet hvordan disse protonene og nøytronene (sammen kjent som nukleoner) oppfører seg inne i et atom. Utenfor et atom har protoner og nøytroner bestemte størrelser og former. Hver av dem består av tre mindre partikler som kalles kvarker, og samspillet mellom disse kvarkene er så intense at ingen ytre krefter skal være i stand til å deformere dem, ikke engang de kraftige kreftene mellom partiklene i en kjerne. Men i flere tiår har forskere visst at teorien på en eller annen måte er feil. Eksperimenter har vist at protoner og nøytroner i en kjerner virker mye større enn de burde være. Fysikere har utviklet to konkurrerende teorier som prøver å forklare at rare misforhold, og talsmennene for hver er ganske sikre på at den andre er feil. Begge leirer er imidlertid enige om at uansett hva det riktige svaret er, må det komme fra et felt utenfor deres eget.
Siden minst 1940-tallet har fysikere visst at nukleoner beveger seg i trange små orbitaler i kjernen, fortalte Gerald Miller, en kjernefysiker ved University of Washington, til Live Science. Nukleonene, begrenset i bevegelsene deres, har veldig lite energi. De spretter ikke rundt mye, behersket av den sterke styrken.
I 1983 la fysikere ved European Organization for Nuclear Research (CERN) merke til noe rart: Stråler av elektroner spratt av jern på en måte som var veldig forskjellig fra hvordan de spratt av frie protoner, sa Miller. Det var uventet; Hvis protonene inne i hydrogen hadde samme størrelse som protonene inne i jern, skal elektronene ha spratt av på omtrent samme måte.
Til å begynne med visste ikke forskere hva de så på.
Men over tid trodde forskere at det var et størrelsesproblem. Av en eller annen grunn fungerer protoner og nøytroner i tunge kjerner som om de er mye større enn når de er utenfor kjernene. Forskere kaller dette fenomenet EMC-effekten, etter det europeiske Muon-samarbeidet - gruppen som tilfeldigvis oppdaget den. Det bryter med eksisterende teorier om kjernefysikk.
Eller Hen, en kjernefysiker ved MIT, har en ide som potensielt kan forklare hva som skjer.
Mens kvarker, subatomære partikler som utgjør nukleoner, interagerer sterkt i et gitt proton eller nøytron, kan kvarker i forskjellige protoner og nøytroner ikke samhandle mye med hverandre, sa han. Den sterke kraften inne i en nukleon er så sterk at den formørker den sterke kraften som holder nukleoner til andre nukleoner.
"Se for deg å sitte på rommet ditt og snakke med to av vennene dine med vinduene lukket," sa Hen.
Trioen i rommet er tre kvarker inne i et nøytron eller proton.
"En lett bris blåser utenfor," sa han.
Den lette brisen er kraften som holder protonet eller nøytronet til nukleoner i nærheten som er "utenfor" vinduet. Selv om litt snek seg gjennom det lukkede vinduet, sa Hen, ville det knapt påvirke deg.
Og så lenge nukleoner holder seg i deres baner, er det tilfelle. Imidlertid, sa han, nylige eksperimenter har vist at til enhver tid er omtrent 20% av nukleonene i en kjerne faktisk utenfor deres orbitaler. I stedet er de sammenkoblet med andre nukleoner, og samhandler i "korrelasjoner med kort rekkevidde." Under disse omstendighetene er samhandlingene mellom nukleonene mye høyere energi enn vanlig, sa han. Det er fordi kvarkene stikker gjennom veggene i deres individuelle nukleoner og begynner å samhandle direkte, og disse kvark-kvark-interaksjonene er mye kraftigere enn nukleon-nukleon-interaksjoner.
Disse samhandlingene bryter ned veggene som skiller kvarker i individuelle protoner eller nøytroner, sa Hen. Kvarkene som utgjør ett proton og kvarkene som utgjør en annen proton begynner å okkupere den samme plassen. Dette fører til at protonene (eller nøytronene, som tilfellet er) strekker seg og blir uskarpe, sa Hen. De vokser mye, om enn i veldig korte perioder. Det skjev gjennomsnittlig størrelse på hele kohorten i kjernen - og produserer EMC-effekten.
De fleste fysikere aksepterer nå denne tolkningen av EMC-effekten, sa Hen. Og Miller, som jobbet med Hen på noe av nøkkelforskningen, var enig.
Men ikke alle tror Henes gruppe har problemet utarbeidet. Ian Cloët, en kjernefysiker ved Argonne National Laboratory i Illinois, sa at han tror Hennes arbeid trekker konklusjoner om at dataene ikke støtter fullt ut.
"Jeg tror EMC-effekten fortsatt er uløst," sa Cloët til Live Science. Det er fordi den grunnleggende modellen for kjernefysikk allerede utgjør mye av det korte rekkevidden som Hen beskriver. Likevel, "hvis du bruker denne modellen for å prøve å se på EMC-effekten, vil du ikke beskrive EMC-effekten. Det er ingen vellykket forklaring av EMC-effekten ved å bruke den rammen. Så etter min mening er det fortsatt et mysterium."
Hen og hans samarbeidspartnere utfører eksperimentelt arbeid som er "tapper" og "veldig god vitenskap," sa han. Men det løser ikke problemet med atomkjernen helt.
"Det som er klart, er at den tradisjonelle modellen med kjernefysikk ... ikke kan forklare denne EMC-effekten," sa han. "Vi tror nå at forklaringen må komme fra QCD selv."
QCD står for kvantekromodynamikk - systemet med regler som styrer oppførselen til kvarker. Å skifte fra kjernefysikk til QCD er litt som å se på det samme bildet to ganger: en gang på en første generasjons flip-telefon - det er kjernefysikk - og så igjen på en høyoppløselig TV - det er kvantekromodynamikk. Høyoppløsnings-TV-en gir mye mer detalj, men den er mye mer komplisert å bygge.
Problemet er at de komplette QCD-ligningene som beskriver alle kvarkene i en kjerne er for vanskelige å løse, sa Cloët og Hen begge. Moderne superdatamaskiner er omtrent 100 år unna å være raske nok til oppgaven, estimerte Cloët. Og selv om superdatamaskiner var raske nok i dag, har likningene ikke kommet videre til et punkt der du kan koble dem til en datamaskin, sa han.
Likevel, sa han, er det mulig å jobbe med QCD for å svare på noen spørsmål. Og akkurat nå, sa han, gir disse svarene en annen forklaring på EMC-effekten: Nuclear Mean-Field Theory.
Han er uenig i at 20% av nukleonene i en kjerne er bundet opp i kortdistanse korrelasjoner. Eksperimentene beviser det bare ikke, sa han. Og det er teoretiske problemer med ideen.
Det tyder på at vi trenger en annen modell, sa han.
"Bildet som jeg har er at vi vet at inne i en kjerne er disse veldig sterke atomkreftene," sa Cloët. Dette er "litt som elektromagnetiske felt, bortsett fra at de er sterke kraftfelt."
Feltene opererer i så små avstander at de har ubetydelig størrelse utenfor kjernen, men de er kraftige inne i den.
I Cloët’s modell deformerer disse kraftfeltene, som han kaller "middelfelt" (for den kombinerte styrken de bærer), den indre strukturen til protoner, nøytroner og pioner (en type sterk kraftbærende partikkel).
"Akkurat som om du tar et atom og legger det inne i et sterkt magnetfelt, vil du endre den indre strukturen til atomet," sa Cloët.
Med andre ord, meningsfeltteoretikere tror det lukkede rommet Hen beskrev har hull i veggene, og vinden blåser gjennom for å banke kvarkene rundt og strekke dem ut.
Cloët erkjente at det er mulig korrelasjoner på kort avstand sannsynligvis forklarer en del av EMC-effekten, og Hen sa at felt som sannsynligvis spiller en rolle også.
"Spørsmålet er, som dominerer," sa Cloët.
Miller, som også har jobbet mye med Cloët, sa at middelfeltet har fordelen av å være mer forankret i teorien. Men Cloët har ennå ikke gjort alle nødvendige beregninger, sa han.
Og akkurat nå tyder vekten av eksperimentelle bevis på at Hen har det bedre av argumentet.
Hen og Cloët sa begge at resultatene fra eksperimenter de neste årene kunne løse spørsmålet. Hen siterte et eksperiment på gang på Jefferson National Accelerator Facility i Virginia som vil flytte nukleoner nærmere hverandre, bit for bit, og la forskere se hvordan de forandrer seg. Cloët sa at han ønsker å se et "polarisert EMC-eksperiment" som ville bryte opp effekten basert på spinnet (et kvantetrekk) til de involverte protonene. Det kan avsløre usettede detaljer om effekten som kan hjelpe beregninger, sa han.
Alle tre forskere la vekt på at debatten er vennlig.
"Det er flott, fordi det betyr at vi fortsatt gjør fremgang," sa Miller. "Til slutt kommer noe til å være i læreboka og ballspillet. Det er to konkurrerende ideer som betyr at det er spennende og levende. Og nå har vi til slutt eksperimentelle verktøy for å løse disse problemene."
