Hier ist eine mysteriöse Wahrheit, die Wissenschaftler seit 1983 kennen: Protonen und Neutronen verhalten sich anders, wenn sie sich in einem Atom befinden, als wenn sie frei durch den Raum schweben. Insbesondere die subatomaren Teilchen, aus denen diese Protonen und Neutronen bestehen, die als Quarks bezeichnet werden, verlangsamen sich massiv, sobald sie auf einen Kern in einem Atom beschränkt sind.
Die Physiker mochten das wirklich nicht, weil Neutronen Neutronen sind, egal ob sie sich in einem Atom befinden oder nicht. Und Protonen sind Protonen. Sowohl Protonen als auch Neutronen (die zusammen die als "Nukleonen" bezeichnete Teilchenklasse bilden) bestehen aus drei kleineren Teilchen, sogenannten Quarks, die durch die starke Kraft miteinander verbunden sind.
"Wenn man Quarks in einen Kern legt, bewegen sie sich langsamer, und das ist sehr seltsam", sagte der Co-Autor der Studie, Or Hen, ein Physiker am Massachusetts Institute of Technology. Das ist seltsam, weil die starken Wechselwirkungen zwischen Quarks hauptsächlich ihre Geschwindigkeit bestimmen, während Kräfte, die den Kern binden (und auch auf Quarks im Kern wirken), sehr schwach sein sollen, fügte Hen hinzu.
Und es gibt keine andere bekannte Kraft, die das Verhalten von Quarks in einem Kern so stark verändern sollte. Der Effekt bleibt jedoch bestehen: Die Teilchenphysiker nennen ihn den EMV-Effekt, benannt nach der European Muon Collaboration, der Gruppe, die ihn entdeckt hat. Und bis vor kurzem waren sich die Wissenschaftler nicht sicher, was es verursachte.
Zwei Teilchen in einem Kern werden typischerweise durch eine Kraft von etwa 8 Millionen Elektronenvolt (8 MeV) zusammengezogen, ein Maß für die Energie in Teilchen. Quarks in einem Proton oder Neutron sind durch etwa 1.000 MeV miteinander verbunden. Es macht also keinen Sinn, dass die vergleichsweise milden Wechselwirkungen des Kerns die starken Wechselwirkungen in Quarks dramatisch beeinflussen, sagte Hen gegenüber Live Science.
"Was ist acht neben 1.000?" er sagte.
Der EMV-Effekt sieht jedoch nicht wie ein milder Stoß von außen aus. Obwohl es von Kern zu Kern unterschiedlich ist: "Es ist nicht wie ein halbes Prozent. Der Effekt wird aus den Daten entfernt, sobald Sie kreativ genug sind, um ein Experiment zu entwerfen, um danach zu suchen", sagte Hen.
Je nach Kern kann sich die scheinbare Größe der Nukleonen (die von ihrer Geschwindigkeit abhängt) um 10 bis 20 Prozent ändern. In einem Goldkern zum Beispiel sind Protonen und Neutronen 20 Prozent kleiner als wenn sie frei schweben.
Theoretiker haben sich viele verschiedene Modelle ausgedacht, um zu erklären, was hier vor sich geht, sagte Hen.
"Ein Freund von mir scherzte, dass EMC für" Everybody's Model is Cool "steht, weil jedes Modell so aussah, als könnte es das erklären", sagte er.
Aber im Laufe der Zeit machten die Physiker mehr Experimente, testeten diese verschiedenen Modelle und einer nach dem anderen fiel weg.
"Niemand konnte alle Daten erklären, und wir hatten ein großes Rätsel. Wir haben jetzt viele Daten, Messungen, wie sich die Quarks in den verschiedensten Kernen bewegen, und wir konnten nicht erklären, was los war ," er sagte.
Anstatt zu versuchen, das ganze Rätsel auf einmal zu erklären, beschlossen Hen und seine Kollegen, nur einen speziellen Fall der Wechselwirkung zwischen Neutronen und Protonen zu betrachten.
In den meisten Fällen überlappen sich Protonen und Neutronen in einem Kern nicht, sondern respektieren die Grenzen des anderen - obwohl es sich eigentlich nur um Systeme gebundener Quarks handelt. Aber manchmal werden Nukleonen innerhalb des vorhandenen Kerns miteinander verbunden und beginnen sich kurzzeitig physikalisch zu überlappen, was Wissenschaftler als „korrelierte Paare“ bezeichnen. Zu jedem Zeitpunkt überlappen sich auf diese Weise etwa 20 Prozent der Nukleonen in einem Kern.
Wenn dies geschieht, fließen enorme Mengen an Energie zwischen den Quarks und verändern ihre gebundene Struktur und ihr Verhalten grundlegend - ein Phänomen, das durch die starke Kraft verursacht wird. In einem Artikel, der am 20. Februar in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, argumentierten die Forscher, dass dieser Energiefluss genau den EMV-Effekt erklärt.
Das Team bombardierte viele verschiedene Arten von Kernen mit Elektronen und fand eine direkte Beziehung zwischen diesen Nukleonenpaaren und dem EMV-Effekt.
Ihre Daten legen nahe, sagte Hen, dass sich die Quarks in den meisten Nukleonen überhaupt nicht ändern, wenn sie in einen Kern eintreten. Aber die wenigen, die an Nukleonenpaaren beteiligt sind, ändern ihr Verhalten so dramatisch, dass sie die durchschnittlichen Ergebnisse in jedem Experiment verzerren. Dass viele Quarks auf so kleinem Raum gepackt sind, verursacht einige dramatisch starke Krafteffekte. Der EMV-Effekt ist eher das Ergebnis einer Minderheit von Anomalien als eine Änderung des Verhaltens aller Protonen und Neutronen.
Aus den Daten leitete das Team eine mathematische Funktion ab, die genau beschreibt, wie sich der EMV-Effekt von einem Kern zum nächsten verhält.
"Sie machten eine Vorhersage, und ihre Vorhersage wurde mehr oder weniger bestätigt", sagte Gerald Feldman, ein Physiker an der George Washington University, der einen begleitenden Artikel zu News & Views in derselben Ausgabe von Nature schrieb, aber nicht an der Forschung beteiligt war.
Dies ist ein starker Beweis dafür, dass dieser Paarungseffekt die wahre Antwort auf das EMV-Rätsel ist, sagte Feldman gegenüber Live Science.
Nach 35 Jahren scheinen Teilchenphysiker dieses Problem mit zu vielen nicht guten Lösungen gelöst zu haben. Hen sagte, er und seine Kollegen hätten bereits Folgeexperimente geplant, um das Problem noch eingehender zu untersuchen und neue unbekannte Wahrheiten über das Verhalten gepaarter Nukleonen in Atomen zu enthüllen.
