Reprezentare grafică a unui deuteron, nucleul deuteriului, un izotop al hidrogenului (neutron (albastru) și proton (roșu)).
Credit: Andy Sproles/Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy
Sigur, știm multe despre atom. Știm că la exterior sunt electroni structurați pe straturi energetice, a căror mișcare în jurul nucleului este descrisă de orbitali. Știm că în centru există un nucleu, format, de regulă, din protoni și neutroni, formați la rândul lor din quarcuri, ținuți laolaltă prin intermediul forței nucleare tari.
Dar nu știm cum se comportă protonii și neutronii în interiorul nucleului atomic.
⇒ Citiți: O vizualizare mai apropiată de realitate a atomului (în care vorbim despre ce sunt orbitalii și de ce aceștia dau forma atomilor, care nu sunt, în fapt, sferici)
Efectul EMC
În afara atomului, protonii și neutronii au anumite dimensiuni și forme. Cum spuneam, aceștia sunt formați fiecare din câte trei particule elementare numite quarcuri, care sunt ținute împreună de forța nucleară tare (care este mediată de o particulă-forță numită „gluon”).
Povestea standard care se livrează de regulă este aceea că un proton este alcătuit din trei quarcuri de două tipuri (două quarcuri up și un quarc down). Ca în imaginea de mai jos.
Dar, în fapt, nu este chiar așa... Citiți acest articol pentru detalii. Și atunci de unde această poveste cu trei quarcuri? În fapt este vorba despre diferența dintre numărul total de quarcuri și numărul total de antiquarcuri. Întotdeauna într-un proton vor fi cu două quarcuri up mai mult decât numărul de antiquarcuri up și cu un quarc down mai mult decât numărul de antiquarcuri down.
Din prima jumătate a secolului trecut fizicienii au observat că nucleonii (adică protonii și neutronii) se mișcă în cadrul unor orbite foarte stricte în cadrul nucleului, având foarte puțină energie.
Dar experimentele au arătat că atunci când sunt măsurați în interiorul atomului, protonii și neutronii par să fie mai mari decât ar trebui să fie. Și nimeni nu știe de ce... În 1983, în cadrul unor cercetări din cadrul CERN, s-a observat că atunci când atomi de fier sunt bombardați cu fluxuri de electroni, modelul de împrăștiere a electronilor este foarte diferit de cel așteptat. În teorie protonul unui atom de hidrogen ar trebui să fie cât un proton dintr-un atom de fier.
Acesta este efectul EMC; denumirea vine de la „European Muon Collaboration”, proiectul de cercetare în cadrul căruia a fost observată anomalia.
Efectul EMC este una dintre marile probleme nerezolvate până în prezent din fizica particulelor.
Două teorii pentru rezolvarea problemei
În prezent există două teorii care încearcă să rezolve misterul, niciuna cu argumente care să convingă întreaga comunitate de fizicieni.
Prima teorie avansează o explicație care se bazează pe „corelațiile la distanță mică” dintre nucleoni.
Quarcurile interacționează între ele în interiorul nucleonului, dar nu ar trebui să interacționeze cu alte quarcuri din alți nucleoni. S-ar întâmpla astfel, pentru că forța nucleară tare este foarte puternică, în raport cu forța care ține împreună nucleonii (protonii și neutronii) în nucleul atomic.
Dar experimente recente au arătat că circa 20 % dintre nucleoni sunt în orice moment în afara orbitalilor acestora. Aceștia fac perechi cu alți nucleoni, interacționând prin „corelații la distanță mică”, așa cum menționam mai sus. În aceste circumstanțe energia nucleonilor este mai mare decât de obicei, pentru că, în fapt, quarcurile depășesc „granița” obișnuită a nucleonului de care aparțin și interacționează direct cu quarcuri din alți nucleoni.
Aceste interacțiuni quarc-quarc sunt mult mai energetice decât interacțiunile nucleon-nucleon. Se ajunge astfel ca același spațiu să fie ocupat de quarcuri din nucleoni diferiți. Iar asta face ca protonii / neutronii să se extindă, să devină mai mari pentru perioade foarte scurte. Și astfel am avea o explicație pentru dimensiunea diferită a nucleonilor în interiorul atomului.
A doua teorie susține că prima explicație nu este suficientă, pentru că nu explică, în fapt, efectul EMC. Răspunsul lor la efectul EMC se numește „teoria nucleară a câmpului-mediu”.
Susținătorii aceste abordări apelează pentru o explicație la cromodinamica cuantică (QCD - quantum chromodynamics), teoria care descrie comportamentul quarcurilor. Problema cu această teorie este că încă nu dispunem de puterea de calcul pentru a-i rezolva ecuațiile; și chiar dacă am avea puterea de calcul necesară, încă nu știm cum să le introducem într-un computer pentru a calcula soluțiile.
În această a doua teorie se consideră că ipoteza conform căreia 20 % dintre nucleoni s-ar afla în acea corelare la distanță mică nu este adevărată, nefiind sprijinită de experimente; în plus, sunt probleme teoretice cu această ipoteză.
Ce spune teoria câmpului-mediu? Iată o scurtă descriere:
• în interiorul nucleului atomic sunt forțe nucleare puternice, care seamănă cu câmpurile electromagnetice, dar sunt câmpuri de forțe puternice.
• aceste câmpuri acționează la distanțe atât de mici, că sunt neglijabile în afara nucleului atomic.
• aceste câmpuri, câmpuri-medii, deformează structura internă a protonilor / neutronilor.
• această deformare explică dimensiunea diferită a nucleonilor.
Adepții acestei a doua teorii admit că prima teorie explică parte din efectul EMC, dar este completată de teoria câmpului-mediu, care mai bine fundamentată teoretic.
Revenim când se ajunge la o înțelegere între fizicieni :)
Citește și:
• Particulele elementare (unde trecem în revistă toate particulele cunoscute)
• Teoria modelului standard
Adaptare după LiveScience
