Мистерия се крие във всеки атом във Вселената

Никой наистина не знае какво се случва вътре в един атом. Но две конкурентни групи учени смятат, че са разбрали това. И двете гпупи се надпреварват, за да докажат, че собствената им визия е правилна.

Ето какво знаем със сигурност: Електроните свистят около „орбитали“ във външната обвивка на атома. След това има някакво празно пространство. И тогава, точно в центъра на това пространство, има мъничко ядро – плътен възел от протони и неутрони, които дават на атома по-голямата част от неговата маса. Тези протони и неутрони се струпват заедно, обвързани от това, което се нарича силна сила. И броят на тези протони и неутрони определя дали атомът е желязо или кислород или ксенон и дали е радиоактивен или стабилен.

Все пак никой не знае как тези протони и неутрони (известни заедно като нуклони) се държат вътре в един атом. Извън атома протоните и неутроните имат определени размери и форми. Всеки от тях е съставен от три по-малки частици, наречени кварки, и взаимодействията между тези кварки са толкова интензивни, че нито една външна сила не би могла да ги деформира, дори и мощните сили между частиците в ядрото. Но от десетилетия изследователите знаят, че теорията по някакъв начин е погрешна или непълна.

Експериментите показват, че вътре в ядрото протоните и неутроните изглеждат много по-големи, отколкото трябва да бъдат. Физиците са разработили две конкуриращи се теории, които се опитват да обяснят това странно несъответствие и привържениците на всяка от тях са съвсем сигурни, че другото е неправилно. И двата лагера са съгласни обаче, че какъвто и да е правилният отговор, той трябва да идва от поле, извън тяхното.

„От поне 40-те години на миналия век физиците са знаели, че нуклоните се движат в малки тесни орбитали в ядрото“, заявява Джералд Милър, ядрен физик от Вашингтонския университет, пред Live Science. Нуклоните, затворени в движенията си, имат много малко енергия. Те не отскачат много, сдържани от силната сила.

През 1983 г. физиците от Европейската организация за ядрени изследвания (CERN) забелязали нещо странно: лъчите от електрони отскочили от желязо по начин, който е много различен от начина, по който отскачали от свободните протони, обяснява Милър. „Това беше неочаквано; защото ако протоните вътре във водорода са със същия размер като протоните вътре в желязото, електроните би трябвало да отскочат по почти същия начин“.

С течение на времето учените стигат до извода, че става въпрос за размер. По някаква причина протоните и неутроните в тежките ядра действат така, сякаш са много по-големи, отколкото когато са извън ядрата. Изследователите наричат това явление ефектът на ЕМС, по името на European Muon Collaboration – групата, която случайно го е открила. Това обаче, нарушава съществуващите теории на ядрената физика.

Ор Хен, ядрен физик в MIT, има идея, която потенциално би могла да обясни какво се случва.

Докато кварките, субатомните частици, които образуват нуклони, силно взаимодействат в рамките на даден протон или неутрон, кварките в различни протони и неутрони не могат да взаимодействат много помежду си, обяснява той. Силната сила вътре в нуклона е толкова силна, че затъмнява силната сила, която държи нуклоните към други нуклони.

„Представете си как седите в стаята си и разговаряте с двама свои приятели със затворени прозорци“, казва Хен. „Триото в стаята са три кварка вътре в неутрон или протон. Отвън духа лек бриз. Този лек бриз е силата, която държи протона или неутрона до близките нуклони, които са „извън“ прозореца. Дори ако малко от този бриз се промъкне през затворения прозорец, едва ли ще те засегне“.

И докато нуклоните остават в орбиталите си, това е така. Въпреки това той казва, че последните експерименти показват, че във всеки един момент около 20% от нуклоните в дадено ядро всъщност са извън техните орбитали. Вместо това те са сдвоени с други нуклони, взаимодействащи в „корелации на къси разстояния.“ При тези обстоятелства взаимодействията между нуклоните са много по-високо енергийни от обикновено, казва той. Това е така, защото кварките пробиват през стените на техните отделни нуклони и започват директно да си взаимодействат, а тези взаимодействия на кварк с кварк са много по-мощни от взаимодействията нуклон-нуклон.

„Тези взаимодействия разрушават стените, разделящи кварките вътре в отделни протони или неутрони“, казва Хен. Кварките, съставляващи един протон, и кварките, съставляващи друг протон, започват да заемат същото пространство. Това кара протоните (или неутроните, според случая) да се разтягат и замъгляват, казва Хен. Те растат много, макар и за много кратки периоди от време. Това изкривява средния размер на цялата кохорта в ядрото – произвежда EMC ефекта.

Но не всички смятат, че групата на Хен е права. Иън Клойт, ядрен физик от Националната лаборатория Аргон в Илинойс, заявява, че според него работата на Хен прави заключения, които данните не подкрепят напълно.

„Мисля, че ефектът на ЕМС все още не е решен“, казва Клойт пред Live Science. Това е така, защото основният модел на ядрената физика вече съставлява голяма част от близкото сдвояване, което Хен описва. И все пак, „ако използвате този модел, за да опитате да разгледате ЕМС ефекта, няма да опишете ЕМС ефекта. Няма успешно обяснение на ЕМС ефекта с помощта на тази рамка. Така че, според мен, все още има загадка.“

Хен и неговите сътрудници вършат експериментална работа, която е „честна“ и „много добра наука“, казва той. Но това не решава напълно проблема с атомното ядро.

„Ясното е, че традиционният модел на ядрената физика … не може да обясни този ефект на ЕМС“, казва той. „Сега смятаме, че обяснението трябва да идва от самия QCD.“

QCD означава квантова хромодинамика – системата от правила, които управляват поведението на кварките. Преминаването от ядрена физика към QCD е малко като да се погледне една и съща картина два пъти: веднъж на първото поколение мобилен телефон – това е ядрена физика – и след това отново на телевизор с висока резолюция – това е квантовата хромодинамика. Телевизорът с висока резолюция предлага много повече детайли, но е много по-сложен за изграждане.

Проблемът е, че пълните уравнения на QCD, описващи всички кварки в ядро, са твърде трудни за разрешаване, се съгласяват Клойт и Хен. Съвременните суперкомпютри са на около 100 години от това да бъдат достатъчно бързи за изпълнението на задачата, изчислява Клойт. И дори ако суперкомпютрите бяха достатъчно бързи днес, уравненията не са достигнали до момента, в който можете да ги включите в компютър, казва той.

Все пак, казва той, е възможно да се работи с QCD, за да се отговори на някои въпроси. И точно сега, тези отговори предлагат различно обяснение за ефекта на ЕМС: Теорията на ядреното средно поле.

Той не е съгласен, че 20% от нуклоните в ядро са свързани в корелации в къси разстояния. Експериментите просто не доказват това, казва той. И има теоретични проблеми с тази идея. Това предполага, че се нуждаем от различен модел, допълва той.

„Картината, която виждам е, че знаем, че вътре в ядрото са тези много силни ядрени сили“, казва Клойт. Това са „малко като електромагнитни полета, с изключение на това, че са силни силови полета“. Полетата работят на толкова малки разстояния, че са с пренебрежима величина извън ядрото, но са мощни вътре в него.
В модела на Клойт тези силови полета, които той нарича „средни полета“ (на комбинираната сила, които носят), всъщност деформират вътрешната структура на протони, неутрони и пиони (вид частица, носеща силна сила).

„Точно както ако вземете атом и го поставите вътре в силно магнитно поле, вие ще промените вътрешната структура на този атом“, казва Клойт.

С други думи, теоретиците на средното поле смятат, че описаната от Хен стая има дупки в стените си и вятърът духа, за да събори кварките наоколо, като ги разтяга.

Клойт признава, че е възможно, корелациите в къси разстояния да обясняват някаква част от ефекта на ЕМС, а Хен казва, че средните полета вероятно също играят роля. „Въпросът е кое е доминиращо“, казва Клойт.

Милър, който също работи с Клойт казва, че средното поле има предимството да бъде по-добре обосновано на теория. Но Клойт все още не е направил всички необходими изчисления, казва той.
И точно сега тежестта на експерименталните доказателства подсказва, че Хен има по-силните аргументи в спора.

Хен и Клойт заявяват, че резултатите от експериментите през следващите няколко години могат да разрешат въпроса. Хен цитира експеримент, който се провежда в Националния ускорител „Джеферсън“ във Вирджиния, който ще премести нуклоните по-близо един до друг, и ще позволи на изследователите да наблюдават как се променят. Клойт казва, че иска да види „поляризиран ЕМС експеримент“, който би разчупил ефекта въз основа на спина (квантова характеристика) на участващите протони. Той може да разкрие невиждани подробности за ефекта, който може да помогне за изчисленията, пояснява той.

„Страхотно е, защото означава, че напредваме“, казва Милър. „В крайна сметка нещо ще има в учебника и прехвърлянето на топката приключи … Фактът, че има две конкуриращи се идеи, означава, че е вълнуващо и жизнено. И сега най-накрая разполагаме с експерименталните инструменти за разрешаване на тези проблеми“.