科學家解開了原子核內部一條長達35年的未解之謎
據國外媒體報導，科學家自1983年來就知道這麼一條神秘的真相：質子與中子在原子內部的行為方式與在空間中自由移動時有所不同。具體來說，構成質子和中子的亞原子粒子“夸克”一旦被局限在原子核中，運動速度便會大幅下降。
這令物理學家感到很頭痛，因為無論在原子內部與否，中子就是中子，質子就是質子。質子和中子（二者同屬於“核子”）都由三個名叫“夸克”的較小粒子構成，通過強作用力結合在一起。
“一旦夸克位於原子核中，運動速度就會減緩，這點非常奇怪。”該研究的共同作者、麻省理工學院物理學家奧爾•赫恩（Or Hen）指出。這之所以奇怪，是因為夸克的運動速度主要由彼此之間的強相互作用力決定，而將原子核結合在一起的力（該力也會對原子核內部的夸克產生影響）應當非常微弱才對。
目前還沒有已知的其它力能夠如此劇烈地改變原子核內部的夸克行為。但這一現象確實存在。物理學家將其稱作EMC效應（EMC是發現該現象的組織“歐洲渺子協會”的英文縮寫）。截至不久之前，科學家仍不確定導致該現象的原因。
原子核中的兩個粒子通常由8百萬電子伏特左右的力結合在一起。質子或中子中的夸克則由約1000百萬電子伏特的力結合在一起。因此，原子核中相對較弱的作用力不該對夸克之間的強大作用力產生如此明顯的影響才對。
“8和1000比，是個什麼概念？”赫恩指出。
但EMC效應可不是由外部作用力導致的一點點小誤差。雖然不同類型的原子核具體表現不同，“但變化範圍可遠遠不止0.5%。只要你設計出一套實驗、對此進行觀察，這一效應就會從實驗數據中凸顯出來。”
取決於原子核，核子的表觀尺寸會有10%至20%不等的變化（大小與其速度有關）。例如，在金原子核中，質子和中子要比在自由空間中小20%。赫恩表示，理論學家提出了各種各樣的模型，試圖解釋這種現象，“我有個朋友開玩笑說，EMC其實是’所有人的模型都很酷’（’Everybody’s Model is Cool）的縮寫，因為每個模型似乎都能解釋這種效應。”赫恩說道。
但隨著物理學家開展更多實驗、測試更多模型，這些模型一個接一個地被淘汰出局，“沒有一個模型能解釋所有數據，我們仍面臨著一個巨大的未解之謎。我們如今掌握了大量數據，對夸克在各種原子核中的運動都做了測量，但仍然無法解釋到底是怎麼回事。”赫恩和同事們決定，與其試圖一次性解決所有謎題，不如先考察一種質子與中子的一種特殊相互作用。
在大多數情況下，同一原子核中的質子和中子不會相互重疊，而是會尊重對方的邊界（雖然它們其實只是由夸克結合在一起構成的系統）。但核子有時會在原子核內部相互聯結，也就是說，在物理上發生重疊，形成科學家所謂的“關聯對”。在任意時刻，一個原子核中約有20%的核子會以這種方式相互重疊。
發生這種情況時，夸克之間會發生大量能量流動，大大改變它們的邊界結構和行為。這一現像是由強相互作用力導致的。在2月20日發表在《自然》上的一篇論文中，研究人員指出，這一能量流動正是EMC現象產生的原因，該研究團隊用電子轟炸了多種不同的原子核，結果發現這些核子對與EMC效應之間存在直接關係。
赫恩表示，這些研究數據強烈表明，大多數原子核中的夸克在進入原子核時並不會發生變化。但核子對中的夸克行為則會顯著改變，導致平均實驗結果發生歪曲。大量夸克擠在這麼小的空間中，便會產生顯著的強作用力效應。EMC效應只是少數“異常份子”的結果，而非由所有質子和中子的行為變化所導致。
該團隊從研究數據中總結出了一個函數，能夠精確描述不同原子核中的EMC效應，“該論文作者們做出了一項預測，而這項預測已經或多或少得到了證實。”喬治華盛頓大學物理學家杰拉德•費爾德曼（Gerald Feldman）指出。費爾德曼認為，這一證據足以證明核子配對效應是EMC之謎的真正答案。
35年過後，粒子物理學家似乎終於解決了這一問題。赫恩表示，他和同事們已經開展了後續實驗，計劃更深入地研究這一問題，並揭露更多有關原子核中核子配對行為的真相。