Физици разрешиха мистерията на ефекта ЕМС, скрит в ядрото на атома

Става въпрос за един загадъчен факт, който учените знаят от 1983 г. насам: Протоните и неутроните действат различно, когато са вътре в атома, и когато плават свободно през пространството.

По-конкретно, субатомните частици, съставляващи тези протони и неутрони, наречени кварки, забавят значително движението си, след като се ограничат до ядрото на един атом.

Физиците наистина не можеха да обяснят това, защото неутроните са неутрони, независимо дали са вътре в атома или не. И протоните са си протони. И протоните и неутроните (които заедно съставляват класа на частиците, наречени „нуклони“) са съставени от три по-малки частици, наречени кварки, силно свързани една с друга.

„Когато поставите кварки в ядрото, те започват да се движат много по-бавно, и това е много странно“, казва съавторът на изследването Ор Хен, физик от Масачузетския технологичен институт. „Това е странно, защото мощните взаимодействия между кварките определят главно тяхната скорост, докато силите, които свързват ядрото (и също действат върху кварките вътре в ядрото), се предполага, че са много по-слаби“, добави Хен.

И няма друга известна сила, която би трябвало да променя поведението на кварките в ядрото толкова интензивно. И все пак, ефектът е налице. Физиците занимаващи се с елементарните частици наричат това явление ЕМС ефект, на името на групата открила ефекта – European Muon Collaboration.

Две частици в ядрото обикновено се издърпват заедно със сила от около 8 милиона електронни волта (8 МеВ), мярка за енергия на частиците. Кварки в протон или неутрон са свързани заедно с около 1000 МеВ. Така че няма обяснение защо сравнително леките взаимодействия на ядрото драматично влияят върху мощните взаимодействия в кварките, обяснява Хен.

Ефектът на ЕМС обаче не изглежда като лек тласък от външна сила. Въпреки, че той варира от един вид ядро към друг, „това не е като половин процент разлика. Ефектът изскача от данните, след като сте достатъчно креативни, за да проектирате експеримент, за да го търсите“, казва Хен.

В зависимост от съответното ядро, видимият размер на нуклоните (който е функция от тяхната скорост) може да се промени с 10 до 20 процента. В златното ядро, например, протоните и неутроните са 20 процента по-малки, отколкото са, когато плават свободно.

„През годините теоретиците създадоха много различни модели, за да се опитат да обяснят какво се случва тук“, казва Хен. „Един мой приятел се пошегува, че ЕМС означава ‘Everybody’s Model is Cool’ или „Всеки модел е готин“, защото всеки модел изглеждаше така, сякаш може да обясни парадокса“.

Но с течение на времето физиците правеха повече експерименти, тестваха тези различни модели и един след друг те биваха забравяни.

„Никой не можеше да обясни всички данни и ние си оставахме с големия пъзел пред нас. Имаме много данни, измервания на това как кварките се движат във всички видове различни ядра и не можем да обясним какво всъщност се случва.“, казва той.

Подходът при новото изследване е различен. Вместо да се опитват веднага да обяснят целия пъзел, Хен и колегите му решават да погледнат само един специален случай на взаимодействие на неутрон и протон.

При повечето обстоятелства, протоните и неутроните в ядрото не се припокриват помежду си, вместо това се „съобразяват“ с границите на другата страна, въпреки че са просто системи от свързани кварки. Но понякога нуклоните се свързват заедно в рамките на съществуващото ядро и започват да се припокриват за кратко, физически се припокриват един с друг, превръщайки се в това, което учените наричат „корелирани двойки“. Във всеки момент около 20 процента от нуклоните в ядрото се припокриват по този начин.

Когато това се случи, между кварките протичат огромни количества енергия, които фундаментално променят обвързаната им структура и поведение.

В статия, публикувана в списанието Nature, изследователите твърдят, че този енергиен поток точно отчита ефекта на ЕМС.

Екипът бомбардирал много различни видове ядра с електрони и открил пряка връзка между тези двойки нуклони и ЕМС ефекта.
Техните данни показват, че кварките в повечето нуклони изобщо не се променят, когато влязат в ядрото. Но онези, които участват в двойки от нуклони, променят поведението си толкова драматично, че изкривяват средните резултати във всеки експеримент. Че много кварки, опаковани в такова малко пространство, причиняват някои драматично силни ефекти. Ефектът на ЕМС е резултат само от малка част от аномалиите, а не от промяна в поведението на всички протони и неутрони.

От новите данни, екипът извлича математическа функция, която точно описва как ЕМС ефектът се държи при различните ядра.
„Авторите на изследването са направили прогноза и тя повече или по-малко се потвърждава ”, казва Джералд Фелдман, физик от университета Джордж Вашингтон, който не е участвал в изследването.

„Това е силно доказателство, че този ефект на сдвояване е истинският отговор на тайната на ЕМС“, каза Фелдман за изданието Live Science.

След 35 години физиците занимаващи се с елементарни частици изглежда разрешиха мистерията на ефекта ЕМС.

Хен казва, че той и колегите му вече имат предвидени следващи експерименти, планирани да изследват въпроса още по-задълбочено и да разкрият нови неизвестни истини за поведението на сдвоени нуклони в атомите.

Публикувано в LiveScience.

Така и така си тук …

… искаме да те помолим за услуга. Ние сме малка независима редакция, което значи, че сами си решаваме какво да правим и за какво да пишем. Нямаме абсолютно никакви зависимости към рекламодатели, собствениците ни не са милионери, нямаме никакви взаимоотношения с политици или пък бизнесмени. Никой не редактира редактора. Никой не „насочва“ мнението ни. Затова ти можеш да ни подкрепиш. Ако ни четеш редовно и смяташ, че статиите, които качваме са полезни, интересни или забавни, може да натиснеш бутона по – долу и да дариш сума по свое усмотрение.