Niemand weet echt wat er in een atoom gebeurt. Maar twee concurrerende groepen wetenschappers denken dat ze erachter zijn gekomen. En beide racen om te bewijzen dat hun eigen visie correct is.
Dit is wat we zeker weten: elektronen suizen rond "orbitalen" in de buitenste schil van een atoom. Dan is er heel veel lege ruimte. En dan, precies in het midden van die ruimte, is er een kleine kern - een dichte knoop van protonen en neutronen die het atoom het grootste deel van zijn massa geven. Die protonen en neutronen clusteren samen, gebonden door wat de sterke kracht wordt genoemd. En de aantallen van die protonen en neutronen bepalen of het atoom ijzer of zuurstof of xenon is en of het radioactief of stabiel is.
Toch weet niemand hoe die protonen en neutronen (samen bekend als nucleonen) zich gedragen in een atoom. Buiten een atoom hebben protonen en neutronen bepaalde afmetingen en vormen. Elk van hen bestaat uit drie kleinere deeltjes die quarks worden genoemd, en de interacties tussen die quarks zijn zo intens dat geen enkele externe kracht ze zou moeten kunnen vervormen, zelfs niet de krachtige krachten tussen deeltjes in een kern. Maar al tientallen jaren weten onderzoekers dat de theorie op de een of andere manier niet klopt. Experimenten hebben aangetoond dat protonen en neutronen in een kern veel groter lijken dan ze zouden moeten zijn. Natuurkundigen hebben twee concurrerende theorieën ontwikkeld die proberen uit te leggen dat er een vreemde mismatch is, en de voorstanders van beide zijn er vrij zeker van dat de andere onjuist is. Beide kampen zijn het er echter over eens dat wat het juiste antwoord ook is, het afkomstig moet zijn van een veld buiten het hunne.
Sinds ten minste de jaren veertig weten natuurkundigen dat nucleonen in strakke kleine orbitalen binnen de kern bewegen, vertelde Gerald Miller, een kernfysicus aan de Universiteit van Washington, aan WordsSideKick.com. De nucleonen, beperkt in hun bewegingen, hebben heel weinig energie. Ze stuiteren niet veel rond, ingehouden door de sterke kracht.
In 1983 merkten natuurkundigen van de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) iets vreemds op: elektronenstralen stuiterden op een manier die heel anders was dan hoe ze op vrije protonen stuiterden, zei Miller. Dat was onverwachts; als de protonen in waterstof even groot waren als de protonen in ijzer, dan zouden de elektronen op ongeveer dezelfde manier moeten zijn teruggekaatst.
Aanvankelijk wisten onderzoekers niet waar ze naar keken.
Maar na verloop van tijd gingen wetenschappers geloven dat het een probleem met de grootte was. Om de een of andere reden werken protonen en neutronen in zware kernen alsof ze veel groter zijn dan wanneer ze zich buiten de kernen bevinden. Onderzoekers noemen dit fenomeen het EMC-effect, naar de European Muon Collaboration - de groep die het per ongeluk ontdekte. Het schendt bestaande theorieën over kernfysica.
Of Hen, een kernfysicus bij MIT, heeft een idee dat mogelijk kan uitleggen wat er aan de hand is.
Terwijl quarks, de subatomaire deeltjes waaruit nucleonen bestaan, sterk interageren binnen een bepaald proton of neutron, kunnen quarks in verschillende protonen en neutronen niet veel met elkaar interageren, zei hij. De sterke kracht in een nucleon is zo sterk dat het de sterke kracht die nucleonen vasthoudt, verduistert naar andere nucleonen.
'Stel je voor dat je in je kamer zit te praten met twee van je vrienden met gesloten ramen,' zei Hen.
Het trio in de kamer bestaat uit drie quarks in een neutron of proton.
'Buiten waait een licht briesje', zei hij.
Die lichte bries is de kracht die het proton of neutron vasthoudt aan nabijgelegen nucleonen die "buiten" het raam zitten. Zelfs als een beetje door het gesloten raam sloop, zei Hen, zou het je nauwelijks raken.
En zolang nucleonen in hun orbitalen blijven, is dat het geval. Hij zei echter dat recente experimenten hebben aangetoond dat op elk moment ongeveer 20% van de nucleonen in een kern zich in feite buiten hun orbitalen bevindt. In plaats daarvan worden ze gekoppeld aan andere nucleonen, die interageren in 'correlaties op korte afstand'. Onder die omstandigheden zijn de interacties tussen de nucleonen veel hoger dan normaal, zei hij. Dat komt omdat de quarks door de wanden van hun individuele nucleonen steken en direct beginnen te interageren, en die quark-quark-interacties zijn veel krachtiger dan nucleon-nucleon-interacties.
Deze interacties breken de muren af die quarks scheiden binnen individuele protonen of neutronen, zei Hen. De quarks die een proton vormen en de quarks die een ander proton vormen, beginnen dezelfde ruimte in te nemen. Dit zorgt ervoor dat de protonen (of neutronen, naargelang het geval) uitrekken en vervagen, zei Hen. Ze groeien veel, zij het voor zeer korte tijd. Dat vertekent de gemiddelde grootte van het hele cohort in de kern - wat het EMC-effect produceert.
De meeste natuurkundigen accepteren deze interpretatie van het EMC-effect nu, zei Hen. En Miller, die met Hen aan een aantal van de belangrijkste onderzoeken werkte, was het daarmee eens.
Maar niet iedereen denkt dat de groep van Hen het probleem heeft opgelost. Ian Cloët, een kernfysicus aan het Argonne National Laboratory in Illinois, zei dat hij denkt dat Hen's werk conclusies trekt die de gegevens niet volledig ondersteunen.
"Ik denk dat het EMC-effect nog steeds niet is opgelost", vertelde Cloët aan WordsSideKick.com. Dat komt omdat het basismodel van de kernfysica al veel van de korte-afstandsparingen voorstelt die Hen beschrijft. Maar, "als je dat model gebruikt om te proberen naar het EMC-effect te kijken, zal je het EMC-effect niet beschrijven. Er is geen succesvolle verklaring van het EMC-effect met dat raamwerk. Dus naar mijn mening is er nog steeds een mysterie."
Hen en zijn medewerkers doen experimenteel werk dat "dapper" en "zeer goede wetenschap" is, zei hij. Maar het lost het probleem van de atoomkern niet volledig op.
"Wat duidelijk is, is dat het traditionele model van kernfysica ... dit EMC-effect niet kan verklaren", zei hij. 'We denken nu dat de verklaring afkomstig moet zijn van QCD zelf.'
QCD staat voor quantumchromodynamica - het regelsysteem dat het gedrag van quarks regelt. Overschakelen van kernfysica naar QCD lijkt een beetje op twee keer naar hetzelfde beeld kijken: één keer op een flip-phone van de eerste generatie - dat is kernfysica - en dan weer op een tv met hoge resolutie - dat is quantumchromodynamica. De tv met hoge resolutie biedt veel meer details, maar is veel gecompliceerder om te bouwen.
Het probleem is dat de volledige QCD-vergelijkingen die alle quarks in een kern beschrijven, te moeilijk zijn om op te lossen, aldus Cloët en Hen. Moderne supercomputers zijn ongeveer 100 jaar verwijderd van snel genoeg voor de taak, schatte Cloët. En zelfs als supercomputers vandaag snel genoeg waren, zijn de vergelijkingen niet zo ver gevorderd dat je ze op een computer kunt aansluiten, zei hij.
Toch zei hij dat het mogelijk is om met QCD te werken om een aantal vragen te beantwoorden. En op dit moment, zei hij, bieden die antwoorden een andere verklaring voor het EMC-effect: Nuclear Mean-Field Theory.
Hij is het er niet mee eens dat 20% van de nucleonen in een kern gebonden is in correlaties op korte afstand. De experimenten bewijzen dat gewoon niet, zei hij. En er zijn theoretische problemen met het idee.
Dat suggereert dat we een ander model nodig hebben, zei hij.
'Het beeld dat ik heb, is dat we weten dat in een kern deze zeer sterke kernkrachten zitten', zei Cloët. Deze lijken "een beetje op elektromagnetische velden, behalve dat ze sterke krachtvelden zijn".
De velden werken op zulke kleine afstanden dat ze van een verwaarloosbare omvang buiten de kern zijn, maar ze zijn er krachtig in.
In het model van Cloët vervormen deze krachtvelden, die hij "gemiddelde velden" noemt (voor de gecombineerde kracht die ze dragen) eigenlijk de interne structuur van protonen, neutronen en pionen (een soort sterk krachtdragend deeltje).
'Net zoals wanneer je een atoom neemt en je plaatst het in een sterk magnetisch veld, zul je de interne structuur van dat atoom veranderen', zei Cloët.
Met andere woorden, gemene-veldtheoretici denken dat de afgesloten kamer die Hen beschreef gaten in de muren heeft en dat er wind doorheen blaast om de quarks omver te werpen en ze uit te rekken.
Cloët erkende dat het mogelijk is dat correlaties op korte afstand waarschijnlijk een deel van het EMC-effect verklaren, en Hen zei dat gemiddelde velden waarschijnlijk ook een rol spelen.
'De vraag is, die overheerst', zei Cloët.
Miller, die ook veel met Cloët heeft samengewerkt, zei dat het gemiddelde veld het voordeel heeft dat het in theorie meer gefundeerd is. Maar Cloët heeft nog niet alle noodzakelijke berekeningen gedaan, zei hij.
En op dit moment suggereert het gewicht van experimenteel bewijs dat Hen het argument het beste heeft.
Hen en Cloët zeiden beiden dat de resultaten van experimenten in de komende jaren de vraag zouden kunnen oplossen. Hen haalde een experiment aan dat aan de gang was bij Jefferson National Accelerator Facility in Virginia, dat de nucleonen stukje bij beetje dichter bij elkaar brengt en onderzoekers in staat stelt ze te zien veranderen. Cloët zei dat hij een "gepolariseerd EMC-experiment" wil zien dat het effect zou verbreken op basis van de spin (een kwantumkenmerk) van de betrokken protonen. Het zou ongeziene details kunnen onthullen van het effect dat berekeningen zou kunnen helpen, zei hij.
Alle drie de onderzoekers benadrukten dat het debat vriendelijk is.
'Het is geweldig, want het betekent dat we nog steeds vooruitgang boeken', zei Miller. "Uiteindelijk komt er iets in het leerboek en is het balspel voorbij ... Het feit dat er twee concurrerende ideeën zijn, betekent dat het spannend en levendig is. En nu hebben we eindelijk de experimentele tools om deze problemen op te lossen."
