Đây là một sự thật bí ẩn mà các nhà khoa học đã biết từ năm 1983: Proton và neutron hoạt động khác nhau khi chúng ở trong một nguyên tử, so với trôi nổi tự do trong không gian. Cụ thể, các hạt hạ nguyên tử tạo nên các proton và neutron đó, được gọi là các quark, chậm lại một cách ồ ạt một khi chúng bị giới hạn trong một hạt nhân trong nguyên tử.
Các nhà vật lý thực sự không thích điều này, bởi vì neutron là neutron cho dù chúng có ở trong nguyên tử hay không. Và proton là proton. Cả proton và neutron (cùng tạo nên lớp các hạt gọi là "nucleon") được tạo thành từ ba hạt nhỏ hơn, gọi là quark, liên kết với nhau bởi lực mạnh.
"Khi bạn đặt hạt quark vào hạt nhân, chúng bắt đầu di chuyển chậm hơn và điều đó rất kỳ lạ", đồng tác giả nghiên cứu Or Hen, nhà vật lý học tại Viện Công nghệ Massachusetts cho biết. Điều đó thật kỳ lạ bởi vì sự tương tác mạnh mẽ giữa các quark chủ yếu quyết định tốc độ của chúng, trong khi các lực liên kết hạt nhân (và cũng tác động lên các quark bên trong hạt nhân) được cho là rất yếu, Hen nói thêm.
Và không có lực lượng nào khác được biết nên sửa đổi hành vi của các hạt quark trong một hạt nhân rất mãnh liệt. Tuy nhiên, hiệu ứng vẫn còn: Các nhà vật lý hạt gọi đó là hiệu ứng EMC, được đặt tên theo Hợp tác Muon châu Âu, nhóm đã phát hiện ra nó. Và cho đến gần đây, các nhà khoa học không chắc chắn điều gì đã gây ra nó.
Hai hạt trong hạt nhân thường được kéo lại với nhau bằng một lực khoảng 8 triệu volt (8 MeV), một thước đo năng lượng trong các hạt. Các quark trong một proton hoặc neutron được liên kết với nhau bằng khoảng 1.000 MeV. Vì vậy, không có nghĩa là các tương tác tương đối nhẹ của hạt nhân đang tác động mạnh mẽ đến các tương tác mạnh mẽ bên trong các quark, Hen nói với Live Science.
"Tám bên cạnh 1.000 là gì?" anh nói.
Nhưng hiệu ứng EMC không giống như một cú huých nhẹ từ một lực bên ngoài. Mặc dù nó thay đổi từ một loại hạt nhân sang loại hạt nhân tiếp theo, "Nó không giống như một nửa phần trăm. Hiệu ứng bật ra khỏi dữ liệu một khi bạn đủ sáng tạo để thiết kế một thử nghiệm để tìm kiếm nó", Hen nói.
Tùy thuộc vào hạt nhân liên quan, kích thước rõ ràng của các hạt nhân (là một hàm của tốc độ của chúng) có thể thay đổi từ 10 đến 20 phần trăm. Ví dụ, trong một hạt nhân vàng, các proton và neutron nhỏ hơn 20% so với khi chúng trôi nổi tự do.
Các nhà lý thuyết đã đưa ra rất nhiều mô hình khác nhau để giải thích những gì đang diễn ra ở đây, Hen nói.
"Một người bạn của tôi đã nói đùa rằng EMC là viết tắt của" Mọi người đều tuyệt vời "bởi vì mọi mô hình dường như có thể giải thích điều đó", ông nói.
Nhưng theo thời gian, các nhà vật lý đã làm nhiều thí nghiệm hơn, thử nghiệm những mô hình khác nhau và hết lần này đến lần khác.
"Không ai có thể giải thích tất cả dữ liệu, và chúng tôi bị bỏ lại một câu đố lớn. Hiện tại chúng tôi có rất nhiều dữ liệu, các phép đo về cách các hạt quark di chuyển bên trong tất cả các loại hạt nhân khác nhau và chúng tôi không thể giải thích điều gì đang xảy ra , "Anh nói.
Thay vì cố gắng giải thích tất cả các câu đố cùng một lúc, Hen và các đồng nghiệp đã quyết định xem xét một trường hợp đặc biệt về tương tác neutron và proton.
Trong hầu hết các trường hợp, các proton và neutron trong hạt nhân không trùng nhau, thay vào đó tôn trọng ranh giới của nhau - mặc dù chúng thực sự chỉ là hệ thống các quark bị ràng buộc. Nhưng đôi khi, các hạt nhân được liên kết với nhau trong các hạt nhân hiện có và bắt đầu ngắn gọn, chồng chéo về mặt vật lý với nhau, trở thành thứ mà các nhà khoa học gọi là các cặp tương quan với nhau. Tại bất kỳ thời điểm nào, khoảng 20 phần trăm của các hạt nhân trong một hạt nhân chồng lên nhau theo cách này.
Khi điều đó xảy ra, một lượng năng lượng khổng lồ chảy giữa các quark, về cơ bản thay đổi cấu trúc và hành vi ràng buộc của chúng - một hiện tượng gây ra bởi lực mạnh. Trong một bài báo xuất bản ngày 20 tháng 2 trên tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu lập luận rằng dòng năng lượng này chính xác chiếm hiệu ứng EMC.
Nhóm nghiên cứu đã bắn phá rất nhiều loại hạt nhân khác nhau bằng các electron và tìm thấy mối quan hệ trực tiếp giữa các cặp nucleon này và hiệu ứng EMC.
Dữ liệu của họ cho thấy mạnh mẽ, Hen nói, rằng các hạt quark trong hầu hết các hạt nhân hoàn toàn không thay đổi khi chúng xâm nhập vào hạt nhân. Nhưng một số ít liên quan đến các cặp nucleon thay đổi hành vi của họ mạnh mẽ đến mức họ làm lệch kết quả trung bình trong bất kỳ thí nghiệm nào. Rằng nhiều quark được đóng gói trong một không gian nhỏ như vậy gây ra một số hiệu ứng lực mạnh mẽ. Hiệu ứng EMC là kết quả của một thiểu số dị thường, thay vì thay đổi hành vi của tất cả các proton và neutron.
Từ dữ liệu, nhóm nghiên cứu đã đưa ra một hàm toán học mô tả chính xác cách thức hiệu ứng EMC hoạt động từ hạt nhân này sang hạt nhân tiếp theo.
"Họ đã đưa ra một dự đoán và dự đoán của họ ít nhiều đã được xác nhận", Gerald Feldman, nhà vật lý tại Đại học George Washington, người đã viết một bài báo News & Views đi kèm trong cùng một vấn đề của Tự nhiên, nhưng không tham gia vào nghiên cứu.
Đó là bằng chứng mạnh mẽ cho thấy hiệu ứng ghép đôi này là câu trả lời thực sự cho bí ẩn EMC, Feldman nói với Live Science.
Sau 35 năm, các nhà vật lý hạt dường như đã giải quyết vấn đề này bằng quá nhiều giải pháp không tốt. Hen cho biết ông và các đồng nghiệp đã có các thí nghiệm tiếp theo được lên kế hoạch để thăm dò vấn đề sâu hơn nữa và tiết lộ những sự thật chưa biết mới về hành vi của các hạt nhân ghép đôi bên trong các nguyên tử.
