Ingen vet verkligen vad som händer i en atom. Men två konkurrerande forskargrupper tror att de har räknat ut det. Och båda tävlar för att bevisa att deras egen vision är korrekt.
Här är vad vi vet med säkerhet: Elektroner susar runt "orbitaler" i en atoms yttre skal. Sedan finns det en hel del tomt utrymme. Och sedan, mitt i det rymden, finns det en liten kärna - en tät knut av protoner och neutroner som ger atomen mest av sin massa. Dessa protoner och neutroner kluster samman, bundna av vad som kallas den starka kraften. Och antalet protoner och neutroner bestämmer om atomen är järn eller syre eller xenon och om den är radioaktiv eller stabil.
Fortfarande är det ingen som vet hur dessa protoner och neutroner (tillsammans kända som nukleoner) beter sig i en atom. Utanför en atom har protoner och neutroner bestämda storlekar och former. Var och en av dem består av tre mindre partiklar som kallas kvarkar, och interaktionen mellan dessa kvarkar är så intensiva att ingen yttre kraft borde kunna deformera dem, inte ens de kraftfulla krafterna mellan partiklarna i en kärna. Men i årtionden har forskare visat att teorin på något sätt är fel. Experiment har visat att protoner och neutroner i en kärna verkar mycket större än de borde vara. Fysiker har utvecklat två konkurrerande teorier som försöker förklara den konstiga missanpassningen, och förespråkarna för var och en är ganska säker på att den andra är felaktig. Båda lägren är dock överens om att oavsett det korrekta svaret, det måste komma från ett fält bortom deras eget.
Sedan åtminstone på 1940-talet har fysiker vetat att nukleoner rör sig i trånga små orbitaler i kärnan, berättade Gerald Miller, en kärnfysiker vid University of Washington, Live Science. Nukleonerna, begränsade till sina rörelser, har väldigt lite energi. De studsar inte runt mycket, behållna av den starka kraften.
1983 märkte fysiker vid European Organisation for Nuclear Research (CERN) något konstigt: Strålar av elektroner studsade av järn på ett sätt som var mycket annorlunda än hur de hoppade av gratis protoner, sade Miller. Det var oväntat; om protonerna inne i väte hade samma storlek som protonerna inuti järn, borde elektronerna ha hoppats av på ungefär samma sätt.
Till en början visste forskarna inte vad de tittade på.
Men över tid trodde forskare att det var en stor fråga. Av någon anledning verkar protoner och neutroner i tunga kärnor som om de är mycket större än när de befinner sig utanför kärnorna. Forskare kallar detta fenomen EMC-effekten, efter European Muon Collaboration - gruppen som av misstag upptäckte den. Det bryter mot befintliga teorier om kärnfysik.
Eller Hen, en kärnfysiker på MIT, har en idé som potentiellt kan förklara vad som händer.
Medan kvarkar, de subatomära partiklarna som utgör nukleoner, interagerar starkt i en given proton eller neutron, kvarkar i olika protoner och neutroner kan inte interagera mycket med varandra, sade han. Den starka kraften inuti en nukleon är så stark att den förmörkar den starka kraften som håller nukleoner till andra nukleoner.
"Tänk dig att sitta i ditt rum och prata med två av dina vänner med fönstren stängda," sade Hen.
Trioen i rummet är tre kvarkar i en neutron eller proton.
"En lätt bris blåser utanför," sade han.
Den lilla brisen är den kraft som håller protonen eller neutronen till närliggande nukleoner som är "utanför" fönstret. Även om en liten snuck genom det stängda fönstret, sa Hen, skulle det knappt påverka dig.
Och så länge nukleoner stannar kvar i sina orbitaler är det så. Emellertid sade han, de senaste experimenten har visat att när som helst 20% av nukleonerna i en kärna faktiskt ligger utanför deras orbital. Istället är de ihopkopplade med andra nukleoner och interagerar i "korta korrelationer". Under dessa omständigheter är interaktionen mellan nukleonerna mycket högre än energi, sade han. Det beror på att kvarkarna tränger igenom väggarna i sina enskilda nukleoner och börjar interagera direkt, och dessa kvark-kvark-interaktioner är mycket kraftfullare än nukleon-nukleon-interaktioner.
Dessa interaktioner bryter ner väggarna som separerar kvarkar i enskilda protoner eller neutroner, sade Hen. Kvarkarna som utgör en proton och kvarkarna som utgör en annan proton börjar uppta samma utrymme. Detta gör att protonerna (eller neutronerna, i förekommande fall) sträcker sig och suddas, sade Hen. De växer mycket, om än under mycket korta perioder. Det snedställer den genomsnittliga storleken på hela kohorten i kärnan - vilket producerar EMC-effekten.
De flesta fysiker accepterar nu denna tolkning av EMC-effekten, sade Hen. Och Miller, som arbetade med Hen på en del av nyckelforskningen, instämde.
Men inte alla tror att Henens grupp har problemet fungerat. Ian Cloët, en kärnfysiker vid Argonne National Laboratory i Illinois, sa att han tror att Henns arbete drar slutsatser om att uppgifterna inte stöder fullt ut.
"Jag tror att EMC-effekten fortfarande är olöst", sa Cloët till Live Science. Det beror på att grundmodellen för kärnfysik redan står för en hel del av det kortdistansparande som Hen beskriver. Ändå, "om du använder den modellen för att försöka titta på EMC-effekten, kommer du inte att beskriva EMC-effekten. Det finns ingen framgångsrik förklaring av EMC-effekten med den ramen. Så enligt min mening finns det fortfarande ett mysterium."
Hen och hans medarbetare gör experimentellt arbete som är "tapper" och "mycket bra vetenskap", sade han. Men det löser inte helt problemet med atomkärnan.
"Det som är uppenbart är att den traditionella modellen för kärnfysik ... inte kan förklara denna EMC-effekt," sade han. "Vi tror nu att förklaringen måste komma från QCD själv."
QCD står för kvantkromodynamik - systemet med regler som styr quarks beteende. Att växla från kärnfysik till QCD är lite som att titta på samma bild två gånger: en gång på en första generationens flip-telefon - det är kärnfysik - och sedan igen på en högupplöst TV - det är kvantkromodynamik. Den högupplösta TV: n erbjuder mycket mer detaljer, men den är mycket mer komplicerad att bygga.
Problemet är att de kompletta QCD-ekvationerna som beskriver alla kvarkar i en kärna är för svåra att lösa, sa Cloët och Hen båda. Moderna superdatorer är cirka 100 år från att vara tillräckligt snabba för uppgiften, uppskattade Cloët. Och även om superdatorer var tillräckligt snabba idag, har ekvationerna inte kommit fram till den punkt där du kunde ansluta dem till en dator, sa han.
Ändå, sa han, är det möjligt att arbeta med QCD för att svara på några frågor. Och just nu, sa han, ger dessa svar en annan förklaring till EMC-effekten: Nuclear Mean-Field Theory.
Han håller inte med om att 20% av nukleonerna i en kärna är bundna i korta avstånd. Experimenten bevisar bara inte det, sa han. Och det finns teoretiska problem med idén.
Det tyder på att vi behöver en annan modell, sade han.
"Bilden som jag har är att vi vet att inuti en kärna finns dessa mycket starka kärnkrafter," sa Cloët. Dessa är "lite som elektromagnetiska fält, förutom att de är starka kraftfält."
Fälten fungerar på så små avstånd att de är av försumbar storlek utanför kärnan, men de är kraftfulla inuti den.
I Cloët's modell deformerar dessa kraftfält, som han kallar "medelfält" (för den kombinerade styrkan de bär) faktiskt den inre strukturen hos protoner, neutroner och pioner (en typ av stark kraftbärande partikel).
"Precis som om du tar en atom och lägger den i ett starkt magnetfält, kommer du att ändra den atomen inre strukturen," sa Cloët.
Med andra ord, medelfältteoretiker tror att det förseglade rummet som Hen beskrev har hål i sina väggar, och vinden blåser igenom för att slå kvarkarna runt och sträcka ut dem.
Cloët erkände att det är möjligt att korta räckviddskorrelationer förmodligen förklarar någon del av EMC-effekten, och Hen sa att medelfält sannolikt också spelar en roll.
"Frågan är, som dominerar," sa Cloët.
Miller, som också har arbetat mycket med Cloët, sa att medelfältet har fördelen att vara mer välgrundad i teorin. Men Cloët har ännu inte gjort alla nödvändiga beräkningar, sa han.
Och just nu tyder vikten på experimentella bevis på att Hen har fått bättre argument.
Hen och Cloët sa båda att resultaten från experiment under de närmaste åren kan lösa frågan. Hen citerade ett experiment pågår vid Jefferson National Accelerator Facility i Virginia som kommer att flytta nukleoner närmare varandra, bit för bit, och låta forskare se dem förändras. Cloët sa att han vill se ett "polariserat EMC-experiment" som skulle bryta upp effekten baserat på rotationen (ett kvantdrag) hos de involverade protonerna. Det kan avslöja osynliga detaljer om effekten som kan bidra till beräkningar, sade han.
Alla tre forskarna betonade att debatten är vänlig.
"Det är fantastiskt, för det betyder att vi fortfarande gör framsteg," sa Miller. "Så småningom kommer något att finnas i läroboken och bollspelet är över ... Det faktum att det finns två konkurrerande idéer innebär att det är spännande och levande. Och nu har vi äntligen de experimentella verktygen för att lösa dessa problem."
