Niemand weiß wirklich, was in einem Atom passiert. Aber zwei konkurrierende Gruppen von Wissenschaftlern glauben, sie hätten es herausgefunden. Und beide versuchen zu beweisen, dass ihre eigene Vision richtig ist.
Folgendes wissen wir mit Sicherheit: Elektronen sausen um "Orbitale" in der Außenhülle eines Atoms. Dann gibt es viel leeren Raum. Und dann, genau in der Mitte dieses Raumes, befindet sich ein winziger Kern - ein dichter Knoten von Protonen und Neutronen, die dem Atom den größten Teil seiner Masse verleihen. Diese Protonen und Neutronen sammeln sich zusammen, gebunden an die sogenannte starke Kraft. Und die Anzahl dieser Protonen und Neutronen bestimmt, ob das Atom Eisen oder Sauerstoff oder Xenon ist und ob es radioaktiv oder stabil ist.
Dennoch weiß niemand, wie sich diese Protonen und Neutronen (zusammen als Nukleonen bekannt) innerhalb eines Atoms verhalten. Außerhalb eines Atoms haben Protonen und Neutronen bestimmte Größen und Formen. Jedes von ihnen besteht aus drei kleineren Teilchen, die Quarks genannt werden, und die Wechselwirkungen zwischen diesen Quarks sind so intensiv, dass keine äußere Kraft sie verformen kann, nicht einmal die starken Kräfte zwischen Teilchen in einem Kern. Aber seit Jahrzehnten wissen Forscher, dass die Theorie in irgendeiner Weise falsch ist. Experimente haben gezeigt, dass Protonen und Neutronen innerhalb eines Kerns viel größer erscheinen, als sie sein sollten. Die Physiker haben zwei konkurrierende Theorien entwickelt, die versuchen, diese seltsame Fehlpaarung zu erklären, und die Befürworter der beiden sind sich ziemlich sicher, dass die andere falsch ist. Beide Lager sind sich jedoch einig, dass die richtige Antwort von einem Feld kommen muss, das über das eigene hinausgeht.
Seit mindestens den 1940er Jahren wissen Physiker, dass sich Nukleonen in engen kleinen Orbitalen innerhalb des Kerns bewegen, sagte Gerald Miller, Kernphysiker an der University of Washington, gegenüber Live Science. Die in ihren Bewegungen begrenzten Nukleonen haben sehr wenig Energie. Sie hüpfen nicht viel herum, zurückgehalten von der starken Kraft.
1983 bemerkten Physiker der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) etwas Seltsames: Elektronenstrahlen prallten auf eine Weise vom Eisen ab, die sich stark von der Art und Weise unterschied, wie sie von freien Protonen abprallten, sagte Miller. Das war unerwartet; Wenn die Protonen im Wasserstoff die gleiche Größe hätten wie die Protonen im Eisen, hätten die Elektronen auf die gleiche Weise abprallen müssen.
Anfangs wussten die Forscher nicht, was sie sahen.
Aber im Laufe der Zeit kamen Wissenschaftler zu der Überzeugung, dass es sich um ein Größenproblem handelt. Aus irgendeinem Grund wirken Protonen und Neutronen in schweren Kernen so, als wären sie viel größer als außerhalb der Kerne. Forscher nennen dieses Phänomen den EMV-Effekt nach der European Muon Collaboration - der Gruppe, die es versehentlich entdeckt hat. Es verstößt gegen bestehende Theorien der Kernphysik.
Oder Hen, ein Kernphysiker am MIT, hat eine Idee, die möglicherweise erklären könnte, was los ist.
Während Quarks, die subatomaren Teilchen, aus denen Nukleonen bestehen, innerhalb eines bestimmten Protons oder Neutrons stark interagieren, können Quarks in verschiedenen Protonen und Neutronen nicht viel miteinander interagieren, sagte er. Die starke Kraft innerhalb eines Nukleons ist so stark, dass sie die starke Kraft, die Nukleonen hält, an andere Nukleonen verdunkelt.
"Stellen Sie sich vor, Sie sitzen in Ihrem Zimmer und sprechen mit zwei Ihrer Freunde bei geschlossenen Fenstern", sagte Hen.
Das Trio im Raum besteht aus drei Quarks in einem Neutron oder Proton.
"Draußen weht eine leichte Brise", sagte er.
Diese leichte Brise ist die Kraft, die das Proton oder Neutron an nahegelegene Nukleonen hält, die sich "außerhalb" des Fensters befinden. Selbst wenn sich ein wenig durch das geschlossene Fenster schleichen würde, sagte Hen, würde es Sie kaum betreffen.
Und solange Nukleonen in ihren Orbitalen bleiben, ist das der Fall. Jüngste Experimente haben jedoch gezeigt, dass sich zu jedem Zeitpunkt etwa 20% der Nukleonen in einem Kern tatsächlich außerhalb ihrer Orbitale befinden. Stattdessen werden sie mit anderen Nukleonen gepaart und interagieren in "Korrelationen mit kurzer Reichweite". Unter diesen Umständen seien die Wechselwirkungen zwischen den Nukleonen viel energiereicher als gewöhnlich, sagte er. Das liegt daran, dass die Quarks durch die Wände ihrer einzelnen Nukleonen stechen und direkt miteinander interagieren. Diese Quark-Quark-Wechselwirkungen sind viel stärker als Nukleon-Nukleon-Wechselwirkungen.
Diese Wechselwirkungen brechen die Wände ein, die Quarks innerhalb einzelner Protonen oder Neutronen trennen, sagte Hen. Die Quarks, aus denen ein Proton besteht, und die Quarks, aus denen ein anderes Proton besteht, nehmen denselben Raum ein. Dies führt dazu, dass sich die Protonen (oder Neutronen) dehnen und verschwimmen, sagte Hen. Sie wachsen sehr, wenn auch nur für sehr kurze Zeit. Dies verzerrt die durchschnittliche Größe der gesamten Kohorte im Kern und erzeugt den EMV-Effekt.
Die meisten Physiker akzeptieren jetzt diese Interpretation des EMV-Effekts, sagte Hen. Und Miller, der mit Hen an einigen der wichtigsten Forschungsarbeiten zusammengearbeitet hatte, stimmte zu.
Aber nicht jeder glaubt, dass Hens Gruppe das Problem gelöst hat. Ian Cloët, ein Kernphysiker am Argonne National Laboratory in Illinois, sagte, er denke, dass Hens Arbeit Schlussfolgerungen zieht, die die Daten nicht vollständig unterstützen.
"Ich denke, der EMV-Effekt ist immer noch ungelöst", sagte Cloët gegenüber Live Science. Das liegt daran, dass das Grundmodell der Kernphysik bereits einen Großteil der von Hen beschriebenen Kurzstreckenpaarung ausmacht. "Wenn Sie dieses Modell verwenden, um den EMV-Effekt zu untersuchen, werden Sie den EMV-Effekt nicht beschreiben. Es gibt keine erfolgreiche Erklärung für den EMV-Effekt unter Verwendung dieses Frameworks. Meiner Meinung nach gibt es also immer noch ein Rätsel."
Hen und seine Mitarbeiter machen experimentelle Arbeit, die "tapfer" und "sehr gute Wissenschaft" ist, sagte er. Das Problem des Atomkerns ist jedoch nicht vollständig gelöst.
"Klar ist, dass das traditionelle Modell der Kernphysik ... diesen EMV-Effekt nicht erklären kann", sagte er. "Wir denken jetzt, dass die Erklärung von QCD selbst kommen muss."
QCD steht für Quantenchromodynamik - das Regelsystem, das das Verhalten von Quarks regelt. Der Wechsel von der Kernphysik zur QCD ist ein bisschen so, als würde man dasselbe Bild zweimal betrachten: einmal auf einem Flip-Phone der ersten Generation - das ist Kernphysik - und dann wieder auf einem hochauflösenden Fernseher - das ist Quantenchromodynamik. Der hochauflösende Fernseher bietet viel mehr Details, ist aber viel komplizierter zu bauen.
Das Problem ist, dass die vollständigen QCD-Gleichungen, die alle Quarks in einem Kern beschreiben, zu schwer zu lösen sind, sagten Cloët und Hen. Laut Cloët sind moderne Supercomputer etwa 100 Jahre davon entfernt, schnell genug für diese Aufgabe zu sein. Und selbst wenn Supercomputer heute schnell genug wären, wären die Gleichungen nicht so weit fortgeschritten, dass man sie an einen Computer anschließen könnte, sagte er.
Dennoch, sagte er, ist es möglich, mit QCD zusammenzuarbeiten, um einige Fragen zu beantworten. Und im Moment, sagte er, bieten diese Antworten eine andere Erklärung für den EMV-Effekt: Nuclear Mean-Field Theory.
Er ist anderer Meinung, dass 20% der Nukleonen in einem Kern in Korrelationen mit kurzer Reichweite gebunden sind. Die Experimente beweisen das einfach nicht, sagte er. Und es gibt theoretische Probleme mit der Idee.
Das deutet darauf hin, dass wir ein anderes Modell brauchen, sagte er.
"Das Bild, das ich habe, ist, wir wissen, dass sich in einem Kern diese sehr starken Atomkräfte befinden", sagte Cloët. Dies sind "ein bisschen wie elektromagnetische Felder, außer dass sie starke Kraftfelder sind".
Die Felder arbeiten in so kleinen Entfernungen, dass sie außerhalb des Kerns von vernachlässigbarer Größe sind, aber innerhalb des Kerns sind sie mächtig.
In Cloëts Modell verformen diese Kraftfelder, die er "mittlere Felder" nennt (für die kombinierte Stärke, die sie tragen), tatsächlich die innere Struktur von Protonen, Neutronen und Pionen (eine Art stark krafttragender Teilchen).
"Genau wie wenn Sie ein Atom nehmen und es in ein starkes Magnetfeld setzen, werden Sie die innere Struktur dieses Atoms verändern", sagte Cloët.
Mit anderen Worten, Mittelfeldtheoretiker glauben, dass der beschriebene versiegelte Raum, den Hen beschrieben hat, Löcher in seinen Wänden hat und Wind durchweht, um die Quarks herumzuschlagen und sie auszudehnen.
Cloët räumte ein, dass mögliche Korrelationen im Nahbereich wahrscheinlich einen Teil des EMV-Effekts erklären, und Hen sagte, dass mittlere Felder wahrscheinlich ebenfalls eine Rolle spielen.
"Die Frage ist, was dominiert", sagte Cloët.
Miller, der auch intensiv mit Cloët zusammengearbeitet hat, sagte, dass das mittlere Feld den Vorteil hat, theoretisch fundierter zu sein. Aber Cloët hat noch nicht alle notwendigen Berechnungen durchgeführt, sagte er.
Und im Moment deutet das Gewicht der experimentellen Beweise darauf hin, dass Hen das bessere Argument hat.
Hen und Cloët sagten beide, die Ergebnisse der Experimente in den nächsten Jahren könnten die Frage lösen. Hen zitierte ein laufendes Experiment in der Jefferson National Accelerator Facility in Virginia, das Nukleonen Stück für Stück näher zusammenrücken und es Forschern ermöglichen wird, zu beobachten, wie sie sich verändern. Cloët sagte, er wolle ein "polarisiertes EMV-Experiment" sehen, das den Effekt basierend auf dem Spin (einem Quantenmerkmal) der beteiligten Protonen auflösen würde. Es könnte unsichtbare Details des Effekts enthüllen, die Berechnungen unterstützen könnten, sagte er.
Alle drei Forscher betonten, dass die Debatte freundlich sei.
"Es ist großartig, weil es bedeutet, dass wir immer noch Fortschritte machen", sagte Miller. "Irgendwann wird etwas im Lehrbuch stehen und das Ballspiel ist vorbei ... Die Tatsache, dass es zwei konkurrierende Ideen gibt, bedeutet, dass es aufregend und lebendig ist. Und jetzt haben wir endlich die experimentellen Werkzeuge, um diese Probleme zu lösen."
