宇宙中的每个原子都隐藏着一个巨大的谜团

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没有人真正知道原子内部会发生什么。但是两个竞争的科学家小组认为他们已经弄清楚了。双方都在努力证明自己的愿景是正确的。

这是我们确定的知识:电子围绕着原子外壳中的“轨道”旋转。然后有很多空白。然后,在该空间的中心,有一个微小的原子核-质子和中子的密集结,使原子具有大部分质量。那些质子和中子聚集在一起,被所谓的强力约束。这些质子和中子的数量决定了原子是铁还是氧或氙,以及它是放射性的还是稳定的。

但是,没人知道那些质子和中子(统称为核子)在原子内部的行为。在原子之外,质子和中子具有确定的大小和形状。它们中的每一个都由三个较小的称为夸克的粒子组成,并且这些夸克之间的相互作用非常强烈,以至于没有外力能够使它们变形,甚至没有核中粒子之间的强大力。但是几十年来,研究人员已经知道该理论在某种程度上是错误的。实验表明,在原子核内部,质子和中子看上去比它们应有的要大得多。物理学家已经发展出两种相互竞争的理论,试图解释怪异的不匹配,并且每一个的支持者都可以肯定彼此是错误的。但是,两个阵营都同意,无论正确答案是什么。

宇宙中的每个原子都隐藏着一个巨大的谜团-第1张图片-IT新视野

华盛顿大学的核物理学家杰拉德·米勒说,至少从1940年代开始,物理学家就知道核子在核内的紧密小轨道中运动。受其运动限制的核子几乎没有能量。受强力约束,它们弹跳不大。

1983年,欧洲核研究组织(CERN)的物理学家注意到了一些奇怪的事情:米勒说,电子束从铁上反弹的方式与它们从自由质子上反弹的方式非常不同。那是出乎意料的;如果氢内部的质子与铁内部的质子大小相同,则电子应该以几乎相同的方式反弹。

起初,研究人员不知道他们在看什么。

但是随着时间的流逝,科学家开始相信这是一个大小问题。由于某种原因,重原子核内部的质子和中子的作用似乎要比它们在原子核外部时大得多。在欧洲Muon协作组织(偶然发现这种现象的组织)之后,研究人员将此现象称为EMC效应。它违反了现有的核物理理论。

麻省理工学院的核物理学家亨(Hen)有一个想法,可以潜在地解释正在发生的事情。

他说,夸克是构成核子的亚原子粒子,在给定的质子或中子之间强烈相互作用,而在不同质子和中子之间的夸克彼此之间的相互作用不大。一个核子内部的强大力是如此之强,以至于使持有核子的强大力超越了其他核子。

亨恩说:“想象一下,坐在房间里与您的两个朋友聊天,窗户关上。”

房间里的三重奏是一个中子或质子内部的三个夸克。

他说:“微风在外面吹。”

微风是将质子或中子保持在窗口“外面”的附近核子的力。亨恩说,即使从关闭的窗户上偷偷摸摸,也几乎不会影响到你。

只要核子停留在其轨道上,情况就是如此。但是,他说,最近的实验表明,在任何给定时间,核中大约20%的核子实际上不在其轨道范围内。相反,它们与其他核子配对,以“短程相关性”相互作用。他说,在那种情况下,核子之间的相互作用能量要比平常高得多。那是因为夸克从它们各自的核子的壁中戳出并开始直接相互作用,而这些夸克-夸克的相互作用比核子-核子的相互作用要强大得多。

亨说,这些相互作用打破了分隔各个质子或中子内部夸克的壁。组成一个质子的夸克和组成另一个质子的夸克开始占据相同的空间。亨恩说,这会使质子(或中子,视情况而定)伸展和模糊。它们增长很多,尽管时间很短。这歪曲了整个细胞核的平均大小,产生了EMC效应。

Hen说,现在大多数物理学家都接受这种对EMC效应的解释。和Hen一起从事某些关键研究的Miller也同意。

但是并非所有人都认为Hen的小组解决了这个问题。伊利诺伊州阿贡国家实验室的核物理学家伊恩·克洛特表示,他认为Hen的工作得出的结论是该数据不能完全支持。

“我认为仍然无法解决EMC的影响,” 克洛特告诉说。那是因为核物理的基本模型已经占了Hen所描述的许多短程配对。但是,“如果使用该模型尝试观察EMC效果,就不会描述EMC效果。使用该框架无法成功解释EMC效果。因此,我认为仍然有一个谜。”

他说,亨恩和他的合作者正在做“英勇”和“非常好的科学”的实验性工作。但是它不能完全解决原子核的问题。

他说:“很明显,传统的核物理模型……无法解释这种电磁兼容效应。” “我们现在认为解释一定来自QCD本身。”

QCD代表量子色动力学-控制夸克行为的规则系统。从核物理学转换为QCD有点像两次看同一张图片:一次是在第一代翻盖手机上(这是核物理),然后是在高分辨率电视上(这是量子色动力学)。高分辨率电视提供了更多细节,但构建起来却复杂得多。

问题是,描述原子核中所有夸克的完整QCD方程太难求解,克洛特和Hen都说。克洛特估计,现代超级计算机距离完成任务的速度还不够100年。他说,即使当今超级计算机的速度足够快,方程式也没有发展到可以将它们插入计算机的地步。

他说,仍然可以与QCD合作回答一些问题。他说,现在,这些答案为EMC效应提供了另一种解释:核中场理论。

他不同意原子核中20%的核子以短程相关性捆绑在一起。他说,实验只是不能证明这一点。这个想法存在理论上的问题。

他说,这表明我们需要一个不同的模型。

克洛埃特说:“我所拥有的景象是,我们知道在核内有这些非常强大的核力量。” 这些“有点像电磁场,只是它们是强力场”。

磁场以极小的距离运行,以至于它们在原子核外部的幅度可以忽略不计,但在原子核内部却很强大。

在克洛伊特的模型中,这些力场(他称之为“平均场”)(针对它们的综合强度)实际上使质子,中子和介子(一种强力承载粒子)的内部结构变形。

克洛埃特说:“就像把一个原子放在一个强磁场里一样,你会改变那个原子的内部结构。”

换句话说,均场理论家认为,亨所描述的密闭房间的墙壁上有孔,风正在吹过,敲开夸克,将它们伸开。

Cloët承认,短程相关性可能解释了EMC效应的一部分,Hen表示均值场也可能发挥了作用。

克洛伊特说:“问题是,它占主导地位。”

米勒还与克洛伊特进行了广泛的合作,他说,平均数领域具有理论上更扎实的优势。他说,但克洛特尚未完成所有必要的计算。

现在,实验证据的重量表明,亨恩的观点更好。

亨和克洛特都说,未来几年的实验结果可以解决这个问题。Hen引用了弗吉尼亚州杰斐逊国家加速器实验室正在进行的一项实验,该实验将使核子一点一点地靠近在一起,并让研究人员观察它们的变化。克洛埃特说,他希望看到一个“极化的EMC实验”,该实验将根据所涉及质子的自旋(量子特性)分解这种效应。他说,这可能会揭示看不见的可能有助于计算的细节。

三位研究人员都强调辩论是友好的。

米勒说:“这很棒,因为这意味着我们仍在进步。” “最终,教科书中将会有某些事情发生,而且球类比赛也将结束。...存在两个相互竞争的想法,这意味着它令人兴奋且充满活力。现在,我们终于有了实验工具来解决这些问题。”

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