Her er en mystisk sannhet som forskere har kjent siden 1983: Protoner og nøytroner opptrer annerledes når de er inne i et atom, mot å flyte fritt gjennom verdensrommet. Spesifikt bremser de subatomære partiklene som utgjør disse protonene og nøytronene, kalt kvarker, massivt når de er begrenset til en kjerne i et atom.
Fysikere likte virkelig ikke dette, fordi nøytroner er nøytroner enten de er inne i et atom eller ikke. Og protoner er protoner. Både protoner og nøytroner (som til sammen utgjør klassen av partikler kalt "nukleoner") består av tre mindre partikler, kalt kvarker, bundet sammen av den sterke kraften.
"Når du legger kvarker inn i en kjerne, begynner de å gå saktere, og det er veldig rart," sa studiens medforfatter Or Hen, fysiker ved Massachusetts Institute of Technology. Det er rart fordi de kraftige samspillene mellom kvarkene hovedsakelig bestemmer hastigheten, mens krefter som binder kjernen (og også virker på kvarkene inne i kjernen) antas å være veldig svake, la Hen til.
Og det er ingen annen kjent kraft som burde modifisere oppførselen til kvarker i en kjerne så intenst. Likevel forblir effekten: Partikkelfysikere kaller det EMC-effekten, oppkalt etter European Muon Collaboration, gruppen som oppdaget den. Og inntil nylig var forskere ikke sikre på hva som forårsaket det.
To partikler i en kjerne blir vanligvis trukket sammen av en styrke på rundt 8 millioner elektron volt (8 MeV), et mål på energi i partikler. Kvarker i en proton eller nøytron er bundet sammen av omtrent 1000 MeV. Så det er ikke fornuftig at de relativt milde interaksjonene mellom kjernen påvirker de kraftige interaksjonene i kvarkene dramatisk, sa Hen til Live Science.
"Hva er åtte ved siden av 1000?" han sa.
Men EMC-effekten ser ikke ut som en mild dytting fra en utenforstående styrke. Selv om det varierer fra en slags kjerne til den neste, "Det er ikke som en halv prosent. Effekten dukker opp av dataene når du først er kreativ til å designe et eksperiment for å se etter det," sa Hen.
Avhengig av hvilken kjerne det er snakk om, kan den tilsynelatende størrelsen på nukleonene (som er en funksjon av deres hastighet) endre seg med 10 til 20 prosent. I en gullkjerne, for eksempel, er protoner og nøytroner 20 prosent mindre enn de er når de flyter fritt.
Teoretikere kom med mange forskjellige modeller for å forklare hva som foregikk her, sa Hen.
"En venn av meg spøkte med at EMC sto for 'Everybody's Model is Cool' fordi hver modell virket som den kunne forklare det," sa han.
Men over tid gjorde fysikere flere eksperimenter, testet de forskjellige modellene, og den ene etter den andre falt bort.
"Ingen kunne forklare alle dataene, og vi satt igjen med et stort puslespill. Vi har mye data nå, målinger av hvordan kvarkene beveger seg i alle slags forskjellige kjerner, og vi kunne ikke forklare hva som foregikk ," han sa.
I stedet for å prøve å forklare alt puslespillet på en gang, bestemte Hen og kollegene seg for å se på et bare ett spesielt tilfelle av nøytron- og protoninteraksjon.
Under de fleste omstendigheter overlapper protoner og nøytroner i en kjerne ikke hverandre, men respekterer i stedet hverandres grenser - selv om de egentlig bare er systemer med bundne kvarker. Men noen ganger blir nukleoner koblet sammen i eksisterende kjerner, og begynner å kort, fysisk overlappe hverandre, og bli det forskere kaller "korrelerte par." Når som helst overlapper omtrent 20 prosent av nukleonene i en kjerne på denne måten.
Når det skjer strømmer enorme mengder energi mellom kvarkene, noe som endrer deres bundne struktur og oppførsel fundamentalt - et fenomen forårsaket av den sterke styrken. I et papir som ble publisert 20. februar i tidsskriftet Nature, hevdet forskerne at denne energiflyten nettopp står for EMC-effekten.
Teamet bombarderte mange forskjellige typer kjerner med elektroner, og fant et direkte forhold mellom disse nukleonparene og EMC-effekten.
Deres data antyder sterkt, sa Hen, at kvarkene i de fleste nukleoner ikke endres i det hele tatt når de kommer inn i en kjerne. Men de få som er involvert i nukleonpar, endrer oppførselen så dramatisk at de skjev gjennomsnittlige resultater i et hvilket som helst eksperiment. At mange kvarker pakket inn i et så lite rom, forårsaker noen dramatiske sterke kraftvirkninger. EMC-effekten er resultatet av bare et mindretall av anomalier, snarere enn en endring i oppførselen til alle protoner og nøytroner.
Fra dataene hentet teamet en matematisk funksjon som nøyaktig beskriver hvordan EMC-effekten oppfører seg fra den ene kjernen til den neste.
"De gjorde en spådom, og prediksjonen deres ble mer eller mindre bekreftet," sa Gerald Feldman, en fysiker ved George Washington University som skrev en tilhørende News & Views-artikkel i samme utgave av Nature, men ikke var involvert i forskningen.
Det er sterke bevis på at denne sammenkoblingseffekten er det virkelige svaret på EMC-mysteriet, sa Feldman til Live Science.
Etter 35 år ser det ut til at partikkelfysikere har løst dette problemet med for mange ikke-gode løsninger. Hen sa at han og kollegene allerede har oppfølgingseksperimenter planlagt å undersøke saken enda dypere, og avsløre nye ukjente sannheter om atferden til sammenkoblede nukleoner i atomer.
