إليكم حقيقة غامضة عرفها العلماء منذ عام 1983: تعمل البروتونات والنيوترونات بشكل مختلف عندما تكون داخل ذرة ، مقابل الطفو بحرية في الفضاء. على وجه التحديد ، الجسيمات دون الذرية التي تشكل تلك البروتونات والنيوترونات ، تسمى الكواركات ، تتباطأ بشكل كبير بمجرد أن تقتصر على نواة في ذرة.
لم يعجب الفيزيائيون بذلك حقًا ، لأن النيوترونات نيوترونات سواء كانت داخل الذرة أم لا. والبروتونات هي بروتونات. تتكون كل من البروتونات والنيوترونات (التي تشكل معًا فئة الجسيمات المسماة "نوكليونات") من ثلاثة جسيمات أصغر ، تسمى الكواركات ، مرتبطة ببعضها البعض بالقوة القوية.
قال المؤلف المشارك للدراسة Or Hen ، الفيزيائي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "عندما تضع الكواركات في النواة ، فإنها تبدأ في التحرك بشكل أبطأ ، وهذا غريب جدًا". وأضاف هين أن هذا أمر غريب لأن التفاعلات القوية بين الكواركات تحدد سرعتها بشكل أساسي ، في حين يفترض أن تكون القوى التي تربط النواة (وتعمل أيضًا على الكواركات داخل النواة) ضعيفة جدًا.
ولا توجد قوة أخرى معروفة يجب أن تعدل سلوك الكواركات في النواة بشكل مكثف. ومع ذلك ، يبقى التأثير: يطلق عليه فيزيائيو الجسيمات تأثير EMC ، الذي سمي باسم تعاون Muon الأوروبي ، المجموعة التي اكتشفته. وحتى وقت قريب ، لم يكن العلماء متأكدين من سبب ذلك.
عادة ما يتم سحب جزيئين في النواة معًا بقوة تبلغ حوالي 8 ملايين فولت إلكترون (8 MeV) ، وهو مقياس للطاقة في الجسيمات. ترتبط الكواركات في البروتون أو النيوترون معًا بحوالي 1000 MeV. لذا ، قال هين لـ Live Science ، إنه من غير المنطقي أن تؤثر التفاعلات المعتدلة نسبيا للنواة بشكل كبير على التفاعلات القوية داخل الكواركات.
"ما هو ثمانية بجانب 1000؟" هو قال.
لكن تأثير EMC لا يبدو وكأنه دفعة خفيفة من قوة خارجية. على الرغم من اختلافها من نوع واحد من النواة إلى النوع التالي ، إلا أن الأمر "لا يشبه نصف بالمائة. إن التأثير ينبثق من البيانات بمجرد أن تكون مبدعًا بما يكفي لتصميم تجربة للبحث عنها" ، قال Hen.
اعتمادًا على النواة المعنية ، يمكن أن يتغير الحجم الظاهري للنيوكليونات (وهي إحدى وظائف سرعتها) بنسبة تتراوح من 10 إلى 20 بالمائة. في نواة الذهب ، على سبيل المثال ، تكون البروتونات والنيوترونات أصغر بنسبة 20 بالمائة مما هي عليه عندما تطفو بحرية.
قال هين إن النظريين توصلوا إلى الكثير من النماذج المختلفة لشرح ما يجري هنا.
وقال: "قال صديقي مازحًا أن إي إم سي ترمز إلى" نموذج الجميع رائع "لأن كل نموذج يبدو أنه يمكن أن يفسر ذلك".
لكن مع مرور الوقت ، أجرى الفيزيائيون المزيد من التجارب ، واختبروا تلك النماذج المختلفة ، وواحد تلو الآخر سقط.
"لم يتمكن أحد من تفسير جميع البيانات ، وقد تركنا لغزًا كبيرًا. لدينا الكثير من البيانات الآن ، قياسات لكيفية تحرك الكواركات داخل جميع أنواع النوى المختلفة ، ولم نتمكن من شرح ما يجري ،" هو قال.
وبدلاً من محاولة شرح كل الأحجية دفعة واحدة ، قرر Hen وزملاؤه النظر في حالة خاصة واحدة فقط للتفاعل النيوتروني والبروتوني.
في معظم الظروف ، لا تتداخل البروتونات والنيوترونات في النواة مع بعضها البعض ، بدلاً من ذلك تحترم حدود بعضها البعض - على الرغم من أنها مجرد أنظمة من الكواركات المرتبطة. ولكن في بعض الأحيان ، ترتبط النويات ببعضها البعض داخل النواة الموجودة ، وتبدأ في التداخل الجسدي لفترة وجيزة مع بعضها البعض ، لتصبح ما يسميه العلماء "أزواج مترابطة". في أي لحظة ، يتداخل حوالي 20 في المائة من النويات في النواة بهذه الطريقة.
عندما يحدث ذلك ، تتدفق كميات هائلة من الطاقة بين الكواركات ، مما يغير بشكل أساسي هيكلها وسلوكها المرتبط - وهي ظاهرة تسببها القوة القوية. في ورقة نشرت في 20 فبراير في مجلة Nature ، جادل الباحثون بأن تدفق الطاقة هذا يفسر بدقة تأثير EMC.
قصف الفريق الكثير من الأنواع المختلفة من النوى بالإلكترونات ، ووجد علاقة مباشرة بين أزواج النوىون وتأثير EMC.
قال Hen أن بياناتهم تشير بقوة إلى أن الكواركات في معظم النويات لا تتغير على الإطلاق عندما تدخل النواة. لكن هؤلاء القلائل المشاركين في أزواج النكليون يغيرون سلوكهم بشكل كبير لدرجة أنهم يحرفون متوسط النتائج في أي تجربة. تسبب العديد من الكواركات المعبأة في مثل هذه المساحة الصغيرة بعض التأثيرات القوية القوية. إن تأثير التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) هو نتيجة لأقلية قليلة من الشذوذ ، وليس تغييرًا في سلوك جميع البروتونات والنيوترونات.
من البيانات ، استمد الفريق دالة رياضية تصف بدقة كيف يتصرف تأثير EMC من نواة إلى أخرى.
قال عالم الفيزياء في جامعة جورج واشنطن ، جيرالد فيلدمان ، الذي كتب مقالة مصاحبة للأخبار والآراء في نفس العدد من مجلة Nature ولكنه لم يشارك في البحث: "لقد تنبأوا ، وتأكدت توقعاتهم إلى حد ما".
وقال فيلدمان لـ Live Science إن هذا دليل قوي على أن تأثير الاقتران هذا هو الجواب الحقيقي لغموض EMC.
بعد 35 عامًا ، يبدو أن فيزيائيي الجسيمات قد حلوا هذه المشكلة بالعديد من الحلول غير الجيدة. قال هين إنه وزملاؤه لديهم بالفعل تجارب متابعة مخطط لها للتحقيق في القضية بشكل أكثر عمقًا ، والكشف عن حقائق جديدة غير معروفة حول سلوك النوى المزدوجة داخل الذرات.
