มีปริศนาลึกลับซ่อนตัวอยู่ภายในอะตอมทุกดวงในจักรวาล

ไม่มีใครรู้ว่าเกิดอะไรขึ้นภายในอะตอม แต่นักวิทยาศาสตร์สองกลุ่มที่แข่งขันกันคิดว่าพวกเขาคิดออกแล้ว และทั้งคู่กำลังแข่งกันเพื่อพิสูจน์ว่าวิสัยทัศน์ของพวกเขาถูกต้อง

นี่คือสิ่งที่เรารู้แน่นอน: อิเล็กตรอนส่งเสียงรอบ "orbitals" ในเปลือกนอกของอะตอม จากนั้นมีพื้นที่ว่างทั้งหมดมากมาย จากนั้นตรงกลางอวกาศนั้นมีนิวเคลียสเล็ก ๆ ซึ่งเป็นโปรตอนและนิวตรอนหนาแน่นที่ให้มวลของอะตอมมากที่สุด โปรตอนและนิวตรอนจับกลุ่มกันเข้าด้วยกันซึ่งถูกเรียกว่าแรงที่แข็งแกร่ง และจำนวนของโปรตอนและนิวตรอนเหล่านั้นเป็นตัวกำหนดว่าอะตอมเป็นเหล็กหรือออกซิเจนหรือซีนอนหรือไม่และมันมีกัมมันตภาพรังสีหรือเสถียร

ถึงกระนั้นก็ไม่มีใครรู้ว่าโปรตอนและนิวตรอนเหล่านั้น (รวมกันเรียกว่านิวคลีออน) ทำงานอย่างไรภายในอะตอม ด้านนอกอะตอมโปรตอนและนิวตรอนมีขนาดและรูปร่างที่แน่นอน แต่ละอนุภาคประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กสามตัวที่เรียกว่าควาร์กและปฏิกิริยาระหว่างควาร์กเหล่านั้นรุนแรงมากจนไม่มีแรงภายนอกที่สามารถทำให้เสียโฉมได้แม้แต่พลังที่ทรงพลังระหว่างอนุภาคในนิวเคลียส แต่เป็นเวลาหลายสิบปีที่นักวิจัยรู้ว่าทฤษฎีนี้ผิดไปในทางใดทางหนึ่ง การทดลองแสดงให้เห็นว่าภายในนิวเคลียสโปรตอนและนิวตรอนมีขนาดใหญ่กว่าที่ควรจะเป็น นักฟิสิกส์ได้พัฒนาทฤษฎีการแข่งขันสองทฤษฎีที่พยายามอธิบายว่าไม่ตรงกันแปลก ๆ และผู้เสนอของแต่ละคนค่อนข้างแน่ใจว่าอีกคนหนึ่งนั้นไม่ถูกต้อง อย่างไรก็ตามทั้งสองค่ายต่างเห็นพ้องต้องกันว่าคำตอบที่ถูกต้องคืออะไรมันต้องมาจากทุ่งนาที่อยู่นอกเหนือเขต

อย่างน้อยก็ในปี 1940 นักฟิสิกส์ได้ทราบว่านิวเคลียสเคลื่อนที่ในวงโคจรขนาดเล็กภายในนิวเคลียส Gerald Miller นักฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่มหาวิทยาลัยวอชิงตันบอกกับ Live Science นิวเคลียสที่ถูกกักขังในการเคลื่อนไหวมีพลังงานน้อยมาก พวกเขาไม่กระเด้งไปมามากนักโดยมีกำลังที่แข็งแกร่ง

ในปี 1983 นักฟิสิกส์ที่องค์การเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์แห่งสหภาพยุโรป (CERN) ได้สังเกตเห็นสิ่งที่แปลก: ลำแสงอิเล็กตรอนกระเด็นเหล็กออกมาในลักษณะที่แตกต่างจากที่พวกมันกระเด็นออกมาจากโปรตอนอิสระ นั่นเป็นสิ่งที่ไม่คาดคิด ถ้าโปรตอนในไฮโดรเจนมีขนาดเท่ากันกับโปรตอนที่อยู่ในเหล็กอิเล็กตรอนควรจะกระเด็นออกไปในทางเดียวกัน

ในตอนแรกนักวิจัยไม่ทราบว่าพวกเขากำลังดูอะไร

แต่เมื่อเวลาผ่านไปนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ามันเป็นปัญหาขนาด ด้วยเหตุผลบางอย่างโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสที่หนักหน่วงจะทำหน้าที่เหมือนกับว่าพวกมันใหญ่กว่าตอนที่พวกมันอยู่นอกนิวเคลียส นักวิจัยเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า EMC effect หลังจาก European Muon Collaboration ซึ่งเป็นกลุ่มที่ค้นพบโดยบังเอิญ. มันเป็นการละเมิดทฤษฎีฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่มีอยู่

หรือ Hen นักฟิสิกส์นิวเคลียร์ของ MIT มีความคิดที่สามารถอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นได้

ในขณะที่ควาร์กอนุภาคย่อยของอะตอมที่ประกอบเป็นนิวเคลียสจะมีปฏิกิริยาอย่างรุนแรงภายในโปรตอนหรือนิวตรอนที่กำหนดควาร์กในโปรตอนและนิวตรอนที่แตกต่างกันจะไม่สามารถโต้ตอบกันได้มากนัก แรงที่แข็งแกร่งภายในนิวเคลียสนั้นแข็งแกร่งมากจนมันจะบดบังแรงที่ยึดนิวเคลียสไว้กับนิวเคลียสอื่น ๆ

"ลองจินตนาการว่ากำลังนั่งอยู่ในห้องของคุณพูดคุยกับเพื่อนของคุณสองคนโดยที่หน้าต่างปิดอยู่" ไก่พูด

ทั้งสามคนในห้องนั้นมีสามควาร์กภายในนิวตรอนหรือโปรตอน

“ สายลมเบาพัดข้างนอก” เขากล่าว

สายลมแสงนั้นเป็นแรงที่ยึดโปรตอนหรือนิวตรอนไว้กับนิวเคลียสใกล้เคียงที่อยู่นอกหน้าต่าง แม้ว่าจะมีคนแอบมองผ่านหน้าต่างที่ปิดอยู่เล็กน้อยไก่ก็พูดว่ามันแทบจะไม่ส่งผลกระทบต่อคุณ

และตราบใดที่นิวเคลียสยังคงอยู่ในวงโคจร อย่างไรก็ตามเขากล่าวว่าการทดลองเมื่อเร็ว ๆ นี้แสดงให้เห็นว่าในเวลาใดก็ตามนิวคลีออนประมาณ 20% ของนิวเคลียสนั้นอยู่นอกวงโคจรของพวกมัน แต่พวกมันจับคู่กับนิวเคลียสอื่นโดยมีปฏิกิริยาใน "ความสัมพันธ์ระยะสั้น" ภายใต้สถานการณ์เหล่านี้ปฏิกิริยาระหว่างนิวเคลียสนั้นมีพลังงานสูงกว่าปกติมาก นั่นเป็นเพราะควาร์กโผล่ผ่านผนังของนิวคลีออนของแต่ละบุคคลและเริ่มโต้ตอบกันโดยตรงและการปฏิสัมพันธ์ควาร์ก - ควาร์กนั้นมีพลังมากกว่าปฏิกิริยาของนิวคลีออนนิวคลีออน

ปฏิกิริยาเหล่านี้ทำลายผนังที่แยกควาร์กภายในโปรตอนหรือนิวตรอนแต่ละตัว ควาร์กทำขึ้นหนึ่งโปรตอนและควาร์กทำขึ้นอีกหนึ่งโปรตอนเริ่มที่จะครอบครองพื้นที่เดียวกัน สิ่งนี้ทำให้โปรตอน (หรือนิวตรอนตามกรณี) ยืดและเบลอไก่กล่าว พวกเขาเติบโตมากแม้ว่าจะเป็นช่วงเวลาสั้น ๆ นั่นจะทำให้ขนาดเฉลี่ยของการศึกษาทั้งหมดในนิวเคลียสเท่ากับ - ทำให้เกิดอีเอ็มซี

นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ยอมรับการตีความผลกระทบ EMC นี้แล้วไก่กล่าว และมิลเลอร์ซึ่งทำงานกับ Hen ในงานวิจัยหลักบางชิ้นก็เห็นด้วย

แต่ไม่ใช่ทุกคนที่คิดว่ากลุ่มของ Hen มีปัญหา Ian Cloëtนักฟิสิกส์นิวเคลียร์จาก Argonne National Laboratory ในรัฐอิลลินอยส์กล่าวว่าเขาคิดว่างานของ Hen สรุปได้ว่าข้อมูลไม่สนับสนุนอย่างเต็มที่

"ฉันคิดว่าผลกระทบ EMC ยังคงไม่แน่นอน" Cloëtกล่าวกับ Live Science นั่นเป็นเพราะแบบจำลองพื้นฐานของฟิสิกส์นิวเคลียร์ได้อธิบายไว้แล้วสำหรับการจับคู่ระยะสั้นจำนวนมากที่ไก่อธิบาย “ ถ้าคุณใช้แบบจำลองนั้นเพื่อลองดูที่ผลกระทบ EMC คุณจะไม่อธิบายผลกระทบของ EMC นั้นไม่มีคำอธิบายที่ประสบความสำเร็จเกี่ยวกับผลกระทบ EMC โดยใช้กรอบงานนั้นดังนั้นในความคิดของฉันยังมีเรื่องลึกลับอยู่”

Hen และผู้ทำงานร่วมกันของเขากำลังทำงานทดลองที่ "กล้าหาญ" และ "วิทยาศาสตร์ที่ดีมาก" เขากล่าว แต่มันก็ไม่สามารถแก้ปัญหาของนิวเคลียสของอะตอมได้อย่างเต็มที่

"สิ่งที่ชัดเจนคือโมเดลฟิสิกส์นิวเคลียร์แบบดั้งเดิม…ไม่สามารถอธิบายผลกระทบ EMC นี้ได้" เขากล่าว "ตอนนี้เราคิดว่าคำอธิบายต้องมาจาก QCD"

QCD ย่อมาจาก quantum chromodynamics - ระบบของกฎที่ควบคุมพฤติกรรมของควาร์ก การเปลี่ยนจากฟิสิกส์นิวเคลียร์มาเป็น QCD ดูคล้ายกับภาพสองครั้ง: บนโทรศัพท์มือถือรุ่นแรก - นั่นคือฟิสิกส์นิวเคลียร์ - แล้วก็อีกครั้งในทีวีความละเอียดสูง - นั่นคือควอนตัมโครเมียม ทีวีความละเอียดสูงให้รายละเอียดมากกว่านี้มาก แต่ก็มีความซับซ้อนในการสร้างมากขึ้น

ปัญหาก็คือสมการ QCD ที่สมบูรณ์ซึ่งอธิบายควาร์กทั้งหมดในนิวเคลียสนั้นยากเกินกว่าจะแก้ได้Cloëtและ Hen ต่างก็พูดว่า ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ยุคใหม่ห่างจากความรวดเร็วเพียงพอสำหรับภารกิจประมาณ 100 ปี และแม้ว่าซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ในวันนี้จะเร็วพอสมการยังไม่ก้าวไปถึงจุดที่คุณสามารถเสียบมันเข้ากับคอมพิวเตอร์ได้เขากล่าว

ถึงกระนั้นเขาก็บอกว่าเป็นไปได้ที่จะทำงานร่วมกับ QCD เพื่อตอบคำถาม และในตอนนี้เขากล่าวว่าคำตอบเหล่านั้นเสนอคำอธิบายที่แตกต่างกันสำหรับผลกระทบ EMC: ทฤษฎีสนามเฉลี่ยนิวเคลียร์

เขาไม่เห็นด้วยที่ 20% ของนิวเคลียสในนิวเคลียสนั้นจะมีความสัมพันธ์ในระยะสั้น การทดลองไม่ได้พิสูจน์ว่าเขาพูด และมีปัญหาทางทฤษฎีกับความคิด

นั่นแสดงให้เห็นว่าเราต้องการโมเดลที่แตกต่างเขากล่าว

"ภาพที่ฉันมีคือเรารู้ว่าภายในนิวเคลียสเป็นพลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งมากเหล่านี้" Cloëtกล่าว เหล่านี้คือ "บิตเช่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้ายกเว้นพวกเขากำลังแรงฟิลด์"

เขตข้อมูลทำงานในระยะทางเล็ก ๆ ที่พวกมันมีขนาดเล็กมากนอกนิวเคลียส แต่มันมีพลังอยู่ภายใน

ในโมเดลของCloëtสนามพลังเหล่านี้ซึ่งเขาเรียกว่า "หมายถึงทุ่งนา" (สำหรับความแข็งแรงที่รวมกันที่พวกมันมี) จริง ๆ แล้วทำให้โครงสร้างภายในของโปรตอนนิวตรอนและไอออน (รูปร่างของอนุภาคแรง - ถือ)

"เช่นถ้าคุณนำอะตอมและวางไว้ในสนามแม่เหล็กที่แรงคุณจะเปลี่ยนโครงสร้างภายในของอะตอมนั้น" Cloëtกล่าว

กล่าวอีกนัยหนึ่งนักทฤษฎีภาคสนามคิดว่าห้องที่ปิดผนึกไว้ซึ่งไก่อธิบายไว้นั้นมีรูอยู่ในผนังและลมก็พัดผ่านเข้ามาเพื่อทำให้เกิดควาร์กรอบตัวยืดมันออกไป

Cloëtยอมรับว่าเป็นไปได้ว่ามีความสัมพันธ์ระยะสั้นที่อาจอธิบายผลกระทบ EMC บางส่วนและไก่กล่าวว่าเขตข้อมูลที่น่าจะมีบทบาทเช่นกัน

"คำถามคือซึ่งครอบงำ" Cloëtกล่าว

มิลเลอร์ผู้ซึ่งทำงานกับCloëtอย่างกว้างขวางกล่าวด้วยว่าฟิลด์ค่าเฉลี่ยมีข้อได้เปรียบในด้านทฤษฎี แต่Cloëtยังไม่ได้ทำการคำนวณที่จำเป็นทั้งหมดเขากล่าว

และตอนนี้น้ำหนักของหลักฐานการทดลองแสดงให้เห็นว่าไก่มีข้อโต้แย้งที่ดีกว่า

Hen และCloëtทั้งคู่กล่าวว่าผลการทดลองในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าสามารถแก้ปัญหาได้ ไก่อ้างว่ามีการทดลองที่ Jefferson National Accelerator Facility ในเวอร์จิเนียซึ่งจะทำให้นิวคลีออนเข้าใกล้กันมากขึ้นทีละน้อยและอนุญาตให้นักวิจัยดูพวกมันเปลี่ยนแปลง Cloëtกล่าวว่าเขาต้องการเห็น "การทดลอง EMC แบบโพลาไรซ์" ซึ่งจะสลายผลกระทบจากการหมุน (ลักษณะควอนตัม) ของโปรตอนที่เกี่ยวข้อง มันอาจเปิดเผยรายละเอียดที่มองไม่เห็นของผลกระทบที่สามารถช่วยในการคำนวณได้เขากล่าว

นักวิจัยทั้งสามคนเน้นว่าการอภิปรายนั้นเป็นมิตร

“ มันยอดเยี่ยมเพราะมันหมายความว่าเรายังคงก้าวหน้า” มิลเลอร์กล่าว "ในที่สุดมีบางอย่างที่อยู่ในตำราเรียนและเกมบอลจบแล้ว ... ความจริงที่ว่ามีสองแนวคิดการแข่งขันหมายความว่ามันน่าตื่นเต้นและมีชีวิตชีวาและในที่สุดเราก็มีเครื่องมือทดลองเพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้"