Вот таинственная истина, которую физики знают с 1983 года: протоны и нейтроны действуют по-разному, когда они находятся внутри атома и свободно плавают в пространстве. В частности, субатомные частицы, которые составляют эти протоны и нейтроны — кварки — сильно замедляются, если они находятся внутри ядра атома.

Физикам это, разумеется, не нравится, потому что нейтроны — это нейтроны, независимо от того, находятся они внутри атома или нет. И протоны — это тоже всегда протоны. И протоны, и нейтроны (которые вместе составляют класс частиц, называемых «нуклонами») состоят из трех более мелких частиц, называемых кварками, а сами нуклоны связаны друг с другом сильным ядерным взаимодействием, действующим в масштабах порядка атомного ядра и меньше.

«Когда вы помещаете кварки в ядро, они начинают двигаться медленнее, и это очень странно», — сказал соавтор исследования Ор Хен, физик из Массачусетского технологического института. Это странно, потому что мощные взаимодействия между кварками в основном определяют их скорость, в то время как силы, которые связывают ядро ​​(а также действуют на кварки внутри ядра), должны быть в сравнении с ними очень слабыми, добавил Хен.

И нет другой известной силы, которая могла бы так сильно изменять поведение кварков в ядре. Тем не менее, эффект остается: физики, изучающие элементарные частицы, называют его EMC-эффектом, в честь Европейской мюонной коллаборации (European Muon Collaboration) — группы ученых в ЦЕРН, которая его открыла. И до недавнего времени ученые не знали, что вызывает этот эффект.

Две частицы в ядре обычно притягиваются друг к другу с силой около 8 миллионов электрон-вольт (8 МэВ). Кварки в протоне или нейтроне связаны между собой силами примерно в 1000 МэВ. Поэтому едва ли сильное взаимодействие, удерживающее ядро от распада, сможет повлиять на взаимодействие кварков между собой. «Что такое восемь рядом с тысячей?», — говорит Хен.

Процесс обстрела атома электронами. По тому, сколько электронов отклонилось от первоначальной траектории, можно понять размеры кварков («u» и «d») — а, значит, узнать их скорость, так как для них эти величины взаимосвязаны.

EMC-эффект не выглядит как легкое «подталкивание» от внешней силы. Хотя он варьируется от одного атомного ядра к другому, по словам Хен, «он не похож на случайную погрешность». В зависимости от используемого в эксперименте ядра видимый размер нуклонов (который напрямую зависит от их скорости) может изменяться на 10-20 процентов. Например, в ядре атома золота протоны и нейтроны на 20 процентов меньше, чем когда они свободно плавают.

По словам Хена, теоретики придумали много разных моделей, чтобы объяснить, почему так происходит. «Мой друг пошутил, что EMC расшифровывается как «каждая модель хороша» («Everybody's Model is Cool»), потому что каждая модель, кажется, может объяснить этот эффект», — сказал он.

Но со временем физики провели большое число экспериментов, испытав эти разные модели, и они одна за другой отпали. «Никто не мог объяснить все получаемые данные, и у нас осталась большая загадка. У нас было много данных — измерений того, как кварки движутся во всех видах различных ядер, и мы не могли объяснить, что происходит», — сказал Хен.

Вместо того, чтобы попытаться объяснить всю загадку сразу, Хен и его коллеги решили рассмотреть только один особый случай взаимодействия нейтрона и протона. В большинстве случаев протоны и нейтроны в ядре не пересекаются друг с другом, вместо этого соблюдая границы — даже если они на самом деле являются просто системами связанных кварков, а не привычными нам по школьным учебникам «шариками». Но иногда нуклоны связываются вместе в существующем ядре и начинают кратковременно физически перекрываться друг с другом, превращаясь в то, что ученые называют «коррелированными парами». В любой момент около 20 процентов нуклонов в ядре перекрываются таким образом.

Когда это происходит, огромное количество энергии течет между кварками, фундаментально изменяя их связанную структуру и поведение — явление, вызванное сильным ядерным взаимодействием. В статье, опубликованной 20 февраля в журнале Nature, исследователи утверждают, что этот поток энергии точно учитывает EMC-эффект.


Художественное изображение процесса корреляции нуклонов в ядре.

Команда ученых во главе с Хеном бомбардировала множество разных типов ядер электронами и обнаружила прямую связь между коррелированными парами нуклонов и эффектом EMC. По словам Хена, их данные убедительно свидетельствуют о том, что кварки в большинстве нуклонов вообще не меняются, когда они попадают в ядро. Но те немногие из них, кто образуют коррелированные пары, настолько сильно изменяют свое поведение, что искажают средние результаты в любом эксперименте. То есть EMC-эффект является результатом лишь небольшого числа аномалий, вызванных плотной упаковкой кварков в атомном ядре, а не изменением в поведении всех протонов и нейтронов.

На основании этих данных команда вывела математическую функцию, которая точно описывает, как EMC-эффект ведет себя на разных ядрах. «Они [авторы статьи] сделали прогноз, и он был более-менее подтвержден», — сказал Джеральд Фельдман, физик из Университета Джорджа Вашингтона, который написал сопроводительную статью к исследованию команды Хена, но не участвовал в нем.

Это убедительное доказательство того, что эффект сопряжения нуклонов является реальным ответом на загадку EMC, сказал Фельдман. По прошествии 35 лет физики, занимающиеся элементарными частицами, похоже, решили эту проблему после огромного числа неудачных предположений и экспериментов. Хен говорит, что у него и его коллег уже запланированы следующие эксперименты, чтобы еще глубже изучить проблему и выявить новые неизвестные истины о поведении парных нуклонов внутри атомов.