Här är en mystisk sanning som forskare har känt sedan 1983: Protoner och neutroner agerar annorlunda när de är inne i en atom, mot att flyta fritt genom rymden. Specifikt bromsar de subatomära partiklarna som utgör dessa protoner och neutroner, kallad kvarkar, massivt när de är begränsade till en kärna i en atom.
Fysiker gillade verkligen inte detta, eftersom neutroner är neutroner oavsett om de är inne i en atom eller inte. Och protoner är protoner. Både protoner och neutroner (som tillsammans utgör den klass av partiklar som kallas "nukleoner") består av tre mindre partiklar, kallade kvarkar, bundna samman av den starka kraften.
"När du sätter kvarkar i en kärna börjar de gå långsammare, och det är väldigt konstigt," säger studiens medförfattare Or Hen, en fysiker vid Massachusetts Institute of Technology. Det är konstigt eftersom de kraftfulla interaktionerna mellan kvarkar huvudsakligen bestämmer deras hastighet, medan krafter som binder kärnan (och även verkar på kvarkar i kärnan) antas vara mycket svaga, tillade Hen.
Och det finns ingen annan känd kraft som borde ändra beteendet hos kvarkar i en kärna så intensivt. Ändå kvarstår effekten: Partikelfysiker kallar den EMC-effekten, uppkallad efter European Muon Collaboration, gruppen som upptäckte den. Och tills nyligen var forskarna inte säkra på vad som orsakade det.
Två partiklar i en kärna dras vanligtvis samman av en kraft på cirka 8 miljoner elektron volt (8 MeV), ett mått på energi i partiklar. Kvarkar i en proton eller neutron är sammanbundna med cirka 1 000 MeV. Så det är inte meningsfullt att de relativt milda interaktionerna i kärnan dramatiskt påverkar de kraftfulla interaktionerna i kvarkarna, berättade Hen Live Live.
"Vad är åtta bredvid 1 000?" han sa.
Men EMC-effekten ser inte ut som en mild nudge från en yttre kraft. Även om det varierar från en slags kärna till nästa, "Det är inte som en halv procent. Effekten dyker upp från uppgifterna när du är tillräckligt kreativ för att designa ett experiment för att leta efter det," sade Hen.
Beroende på vilken kärna som är inblandad kan den uppenbara storleken på nukleonerna (som är en funktion av deras hastighet) förändras med 10 till 20 procent. I en guldkärna är till exempel protoner och neutroner 20 procent mindre än de är när de flyter fritt.
Teoretiker kom med många olika modeller för att förklara vad som hände här, sa Hen.
"En vän till mig skämtade att EMC stod för 'Everybody's Model is Cool' eftersom varje modell verkade som om den kunde förklara det," sa han.
Men med tiden gjorde fysiker fler experiment, testade de olika modellerna och en efter en föll bort.
"Ingen kunde förklara alla uppgifterna, och vi satt kvar med ett stort pussel. Vi har mycket data nu, mätningar av hur kvarkarna rör sig i alla slags olika kärnor, och vi kunde inte förklara vad som hände ," han sa.
I stället för att försöka förklara allt pusslet på en gång beslutade Hen och hans kollegor att titta på ett bara ett speciellt fall av neutron- och protoninteraktion.
Under de flesta omständigheter överlappar protoner och neutroner i en kärna inte varandra utan respekterar istället varandras gränser - även om de egentligen bara är system med bundna kvarkar. Men ibland kopplas nukleoner samman i befintlig kärna och börjar kort, fysiskt överlappa varandra och blir vad forskare kallar ”korrelerade par.” När som helst överlappar cirka 20 procent av nukleonerna i en kärna på detta sätt.
När det händer flyter enorma mängder energi mellan kvarkarna, vilket grundligt förändrar deras bundna struktur och beteende - ett fenomen som orsakas av den starka kraften. I en artikel publicerad 20 februari i tidskriften Nature hävdade forskarna att detta energiflöde exakt står för EMC-effekten.
Teamet bombarderade massor av olika typer av kärnor med elektroner och fann ett direkt samband mellan dessa nukleonpar och EMC-effekten.
Deras data tyder starkt, sade Hen, att kvarkarna i de flesta nukleoner inte ändras alls när de kommer in i en kärna. Men de få som är involverade i nukleonpar ändrar sitt beteende så dramatiskt att de snedvrider de genomsnittliga resultaten i något experiment. Att många kvarkar packade i ett så litet utrymme orsakar några dramatiska starka krafteffekter. EMC-effekten är resultatet av bara en minoritet av avvikelser snarare än en förändring av beteendet hos alla protoner och neutroner.
Från uppgifterna härledde teamet en matematisk funktion som exakt beskriver hur EMC-effekten beter sig från en kärna till nästa.
"De gjorde en förutsägelse, och deras förutsägelse bekräftades mer eller mindre," sade Gerald Feldman, en fysiker vid George Washington University som skrev en åtföljande News & Views-artikel i samma nummer av Nature men inte var involverad i forskningen.
Det är ett starkt bevis på att denna parningseffekt är det verkliga svaret på EMC-mysteriet, sa Feldman till Live Science.
Efter 35 år verkar partikelfysiker ha löst detta problem med för många lösningar som inte är bra. Hen sa att han och hans kollegor redan har uppföljningsexperiment som planeras för att undersöka frågan ännu djupare och avslöja nya okända sanningar om uppförandet av ihopkopplade nukleoner i atomer.
