Aquí hay una verdad misteriosa que los científicos conocen desde 1983: los protones y los neutrones actúan de manera diferente cuando están dentro de un átomo, en lugar de flotar libremente a través del espacio. Específicamente, las partículas subatómicas que forman esos protones y neutrones, llamados quarks, se ralentizan masivamente una vez que están confinados a un núcleo en un átomo.
A los físicos realmente no les gustó esto, porque los neutrones son neutrones, ya sea que estén dentro de un átomo o no. Y los protones son protones. Tanto los protones como los neutrones (que juntos forman la clase de partículas llamadas "nucleones") están formados por tres partículas más pequeñas, llamadas quarks, unidas por la fuerza fuerte.
"Cuando pones quarks en un núcleo, comienzan a moverse más despacio, y eso es muy extraño", dijo el coautor del estudio Or Hen, físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts. Eso es extraño porque las poderosas interacciones entre los quarks determinan principalmente su velocidad, mientras que las fuerzas que unen el núcleo (y también actúan sobre los quarks dentro del núcleo) se supone que son muy débiles, agregó Hen.
Y no hay otra fuerza conocida que deba modificar tan intensamente el comportamiento de los quarks en un núcleo. Sin embargo, el efecto permanece: los físicos de partículas lo llaman el efecto EMC, llamado así por la European Muon Collaboration, el grupo que lo descubrió. Y hasta hace poco, los científicos no estaban seguros de qué lo causó.
Por lo general, dos partículas en un núcleo se unen por una fuerza de alrededor de 8 millones de electronvoltios (8 MeV), una medida de energía en las partículas. Los Quarks en un protón o neutrón están unidos por aproximadamente 1,000 MeV. Por lo tanto, no tiene sentido que las interacciones comparativamente leves del núcleo estén impactando dramáticamente las poderosas interacciones dentro de los quarks, dijo Hen a Live Science.
"¿Qué es ocho al lado de 1,000?" él dijo.
Pero el efecto EMC no parece un leve empujón de una fuerza externa. Aunque varía de un tipo de núcleo a otro, "No es como el medio por ciento. El efecto sale de los datos una vez que eres lo suficientemente creativo como para diseñar un experimento para buscarlo", dijo Hen.
Dependiendo del núcleo involucrado, el tamaño aparente de los nucleones (que es una función de su velocidad) puede cambiar entre un 10 y un 20 por ciento. En un núcleo de oro, por ejemplo, los protones y los neutrones son un 20 por ciento más pequeños que cuando flotan libremente.
Los teóricos idearon muchos modelos diferentes para explicar lo que estaba sucediendo aquí, dijo Hen.
"Un amigo mío bromeó diciendo que EMC significaba 'Everybody's Model is Cool' porque todos los modelos parecían poder explicarlo", dijo.
Pero con el tiempo, los físicos hicieron más experimentos, probaron esos diferentes modelos y uno tras otro desaparecieron.
"Nadie podía explicar todos los datos, y nos quedamos con un gran rompecabezas. Tenemos muchos datos ahora, mediciones de cómo se mueven los quarks dentro de todo tipo de núcleos diferentes, y no pudimos explicar lo que estaba sucediendo". ," él dijo.
En lugar de tratar de explicar todo el rompecabezas a la vez, Hen y sus colegas decidieron analizar un solo caso especial de interacción de neutrones y protones.
En la mayoría de las circunstancias, los protones y los neutrones en un núcleo no se superponen entre sí, sino que respetan los límites de los demás, a pesar de que en realidad son solo sistemas de quarks unidos. Pero a veces, los nucleones se unen dentro del núcleo existente y comienzan a superponerse brevemente físicamente entre sí, convirtiéndose en lo que los científicos llaman "pares correlacionados". En cualquier momento, aproximadamente el 20 por ciento de los nucleones en un núcleo se superponen de esta manera.
Cuando eso sucede, enormes cantidades de energía fluyen entre los quarks, cambiando fundamentalmente su estructura y comportamiento vinculados, un fenómeno causado por la fuerza fuerte. En un artículo publicado el 20 de febrero en la revista Nature, los investigadores argumentaron que este flujo de energía explica con precisión el efecto EMC.
El equipo bombardeó muchos tipos diferentes de núcleos con electrones, y encontró una relación directa entre estos pares de nucleones y el efecto EMC.
Sus datos sugieren fuertemente, dijo Hen, que los quarks en la mayoría de los nucleones no cambian en absoluto cuando entran en un núcleo. Pero los pocos involucrados en pares de nucleones cambian su comportamiento tan drásticamente que sesgan los resultados promedio en cualquier experimento. El hecho de que muchos quarks empaquetados en un espacio tan pequeño provoque algunos efectos dramáticos de fuerza fuerte. El efecto EMC es el resultado de solo una minoría de anomalías, en lugar de un cambio en el comportamiento de todos los protones y neutrones.
A partir de los datos, el equipo obtuvo una función matemática que describe con precisión cómo se comporta el efecto EMC de un núcleo a otro.
"Hicieron una predicción, y su predicción fue más o menos confirmada", dijo Gerald Feldman, físico de la Universidad George Washington que escribió un artículo adjunto de News & Views en el mismo número de Nature, pero que no participó en la investigación.
Esa es una fuerte evidencia de que este efecto de emparejamiento es la verdadera respuesta al misterio de EMC, dijo Feldman a Live Science.
Después de 35 años, los físicos de partículas parecen haber resuelto este problema con demasiadas soluciones inútiles. Hen dijo que él y sus colegas ya tienen experimentos de seguimiento planeados para investigar el tema aún más profundamente y revelar nuevas verdades desconocidas sobre el comportamiento de los nucleones emparejados dentro de los átomos.
