自1983年以来，科学家们已经知道了一个神秘的事实：质子和中子在原子内部的行为与在太空中自由漂浮的行为是不同的。具体地说，构成质子和中子的亚原子粒子，即夸克，一旦被限制在一个原子的原子核内就会大幅减速。物理学家真的不喜欢这个，因为中子就是中子，不管它们是否在原子中，质子就是质子。质子和中子(它们共同构成了被称为“核子”的一类粒子)都是由三种更小的粒子(被称为夸克)组成，它们被强大的核例束缚在一起。这项研究的合著者或麻省理工学院的物理学家Hen说：当把夸克放入原子核时，它们开始移动得更慢，这是非常奇怪的。
博科园-科学科普：这很奇怪，因为夸克之间强大的相互作用主要决定了它们的速度，而束缚原子核的力(也作用于原子核内的夸克)被认为是非常弱的。没有其他已知的力可以如此强烈地改变夸克在原子核中的行为。然而，这种效应仍然存在：粒子物理学家称之为EMC效应，以发现这种效应的欧洲介子合作组织(European Muon Collaboration)的名字命名。直到最近，科学家们还不确定是什么导致了这种效应。原子核中的两个粒子通常被约800万电子伏特(8mev)的力“拉”在一起，这是对粒子能量的一种测量，质子或中子中的夸克被大约1000兆电子伏特(1000mev)束缚在一起。
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原子核之间相对温和的相互作用会显著影响夸克内部强大的相互作用，这是没有道理的。“8和1000比起来是多少？”但电磁兼容效应看起来不像是外力的轻微推动。虽然不同种类的原子核情况不同，但“它不是0，5%。一旦有足够的创造力去设计一个实验来寻找它，这种效应就会从数据中跳出来。根据所涉及原子核，核子的表观大小(这是核子速度的函数)可以改变10%到20%。例如，在金原子核中，质子和中子比它们自由漂浮时要小20%。理论家们提出了许多不同模型来解释这里发生的事情。EMC代表‘每个模型都很酷’，因为每个模型似乎都能解释这个问题。
铍原子结构：4个质子，4个中子和4个电子。图片：general-fmvShutterstock
但随着时间推移，物理学家做了更多的实验，测试这些不同的模型，一个接一个地消失了。没有人能解释所有的数据，研究人员面临着一个大难题，现在有很多数据，测量夸克是如何在各种不同的原子核中运动，我们无法解释发生了什么。研究人员并没有试图立刻解释所有的谜团，而是决定研究中子和质子相互作用的一个特例。在大多数情况下，原子核中的质子和中子不会相互重叠，即使它们实际上只是由束缚夸克组成的系统。但有时，核子会在现有的核子内连在一起，并开始短暂地，在物理上彼此重叠，成为科学家所说的“相关对”。
在任何时刻，原子核中大约20%的核子以这种方式重叠。当这种情况发生时，大量的能量在夸克之间流动，从根本上改变了它们的束缚结构和行为——这是一种由强力引起的现象。在2月20日发表在《自然》(Nature)上的一篇论文中，研究人员认为，这种能量流正是电磁兼容效应的原因。研究小组用电子轰击了许多不同类型的原子核，发现这些核子对与电磁兼容效应之间存在直接关系。新研究数据强有力地表明，大多数核子中的夸克在进入原子核时根本不会改变。但那些参与核子对的少数行为发生了巨大变化，以致于在任何实验中都扭曲了平均结果。
这么多夸克挤在这么小的空间里，会产生一些戏剧性的强力效应。电磁兼容效应只是少数异常现象的结果，而不是所有质子和中子行为的改变。从这些数据中，研究小组得出了一个数学函数，精确地描述了电磁兼容效应是如何从一个核传递到下一个核。乔治华盛顿大学(George Washington University)物理学家杰拉尔德费尔德曼(Gerald Feldman)说：论文的作者做了一个预测，他们的预测或多或少得到了证实。这有力地证明了这种配对效应是EMC之谜的真正答案。35年过去了，粒子物理学家们似乎已经用太多无用的方法解决了这个问题。研究团队已经计划进行进一步的实验来更深入地探究这个问题，并揭示原子中配对核子行为的新未知真相。
博科园-科学科普｜参考期刊文献:《自然》
文: Rafi Letzter/Live Science
DOI: 10.1038/s41586-019-0925-9
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