Nessuno sa davvero cosa succede all'interno di un atomo. Ma due gruppi di scienziati in competizione pensano di averlo capito. Ed entrambi corrono per dimostrare che la propria visione è corretta.
Ecco cosa sappiamo per certo: gli elettroni si muovono intorno agli "orbitali" nel guscio esterno di un atomo. Quindi c'è un sacco di spazio vuoto. E poi, proprio al centro di quello spazio, c'è un piccolo nucleo - un denso nodo di protoni e neutroni che danno all'atomo la maggior parte della sua massa. Quei protoni e neutroni si raggruppano insieme, legati da quella che viene chiamata forza forte. E il numero di quei protoni e neutroni determina se l'atomo è ferro o ossigeno o xeno e se è radioattivo o stabile.
Tuttavia, nessuno sa come si comportano quei protoni e neutroni (insieme noti come nucleoni) all'interno di un atomo. All'esterno di un atomo, protoni e neutroni hanno dimensioni e forme definite. Ciascuno di essi è composto da tre particelle più piccole chiamate quark, e le interazioni tra quei quark sono così intense che nessuna forza esterna dovrebbe essere in grado di deformarle, nemmeno le potenti forze tra le particelle in un nucleo. Ma per decenni, i ricercatori hanno saputo che la teoria è in qualche modo sbagliata. Esperimenti hanno dimostrato che, all'interno di un nucleo, protoni e neutroni appaiono molto più grandi di quanto dovrebbero essere. I fisici hanno sviluppato due teorie concorrenti che cercano di spiegare quella strana discrepanza, e i sostenitori di ciascuno sono abbastanza sicuri che l'altro sia errato. Entrambi i campi concordano, tuttavia, che qualunque sia la risposta corretta, deve provenire da un campo al di là della propria.
Almeno dagli anni '40, i fisici hanno saputo che i nucleoni si muovono in piccoli orbitali all'interno del nucleo, Gerald Miller, un fisico nucleare dell'Università di Washington, ha detto a Live Science. I nucleoni, confinati nei loro movimenti, hanno pochissima energia. Non rimbalzano molto, frenati dalla forza forte.
Nel 1983, i fisici dell'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) notarono qualcosa di strano: i fasci di elettroni rimbalzarono sul ferro in un modo molto diverso da come rimbalzarono sui protoni liberi, ha detto Miller. Quello era inaspettato; se i protoni all'interno dell'idrogeno avessero le stesse dimensioni dei protoni all'interno del ferro, gli elettroni avrebbero dovuto rimbalzare più o meno allo stesso modo.
All'inizio, i ricercatori non sapevano cosa stavano guardando.
Ma nel tempo, gli scienziati sono arrivati a credere che fosse un problema di dimensioni. Per qualche ragione, protoni e neutroni all'interno dei nuclei pesanti agiscono come se fossero molto più grandi di quando si trovano all'esterno dei nuclei. I ricercatori chiamano questo fenomeno l'effetto EMC, dopo la European Muon Collaboration, il gruppo che l'ha scoperto per caso. Viola le teorie esistenti sulla fisica nucleare.
Oppure Hen, un fisico nucleare del MIT, ha un'idea che potrebbe potenzialmente spiegare cosa sta succedendo.
Mentre i quark, le particelle subatomiche che compongono i nucleoni, interagiscono fortemente all'interno di un dato protone o neutrone, i quark in diversi protoni e neutroni non possono interagire molto tra loro, ha detto. La forza forte all'interno di un nucleo è così forte da eclissare la forza forte che trattiene i nucleoni ad altri nucleoni.
"Immagina di stare seduto nella tua stanza a parlare con due dei tuoi amici con le finestre chiuse" disse Hen.
Il trio nella stanza sono tre quark all'interno di un neutrone o protone.
"Fuori soffia una leggera brezza", ha detto.
Quella brezza leggera è la forza che trattiene il protone o il neutrone nei nucleoni vicini che sono "fuori" dalla finestra. Anche se un po 'sgattaiolasse attraverso la finestra chiusa, disse Hen, ti avrebbe a malapena influenzato.
E fintanto che i nucleoni rimangono nei loro orbitali, è così. Tuttavia, ha detto, recenti esperimenti hanno dimostrato che in un dato momento, circa il 20% dei nucleoni in un nucleo sono in realtà al di fuori dei loro orbitali. Invece, sono accoppiati con altri nucleoni, interagendo in "correlazioni a corto raggio". In tali circostanze, le interazioni tra i nucleoni sono di energia molto più elevata del solito, ha detto. Questo perché i quark penetrano attraverso le pareti dei loro singoli nucleoni e iniziano a interagire direttamente, e quelle interazioni quark-quark sono molto più potenti delle interazioni nucleone-nucleone.
Queste interazioni abbattono le pareti che separano i quark all'interno dei singoli protoni o neutroni, ha detto Hen. I quark che formano un protone e i quark che formano un altro protone iniziano a occupare lo stesso spazio. Ciò provoca l'allungamento e la sfocatura dei protoni (o neutroni, a seconda dei casi), ha affermato Hen. Crescono molto, anche se per periodi molto brevi. Ciò altera la dimensione media dell'intera coorte nel nucleo, producendo l'effetto EMC.
La maggior parte dei fisici ora accetta questa interpretazione dell'effetto EMC, ha affermato Hen. E Miller, che ha lavorato con Hen su alcune delle ricerche chiave, ha concordato.
Ma non tutti pensano che il gruppo di Hen abbia risolto il problema. Ian Cloët, un fisico nucleare dell'Argonne National Laboratory in Illinois, ha dichiarato di ritenere che il lavoro di Hen trae conclusioni che i dati non supportano completamente.
"Penso che l'effetto EMC sia ancora irrisolto", ha detto Cloët a Live Science. Questo perché il modello di base della fisica nucleare rappresenta già molti degli accoppiamenti a corto raggio descritti da Hen. Tuttavia, "se si utilizza quel modello per cercare di guardare l'effetto EMC, non si descriverà l'effetto EMC. Non esiste una spiegazione riuscita dell'effetto EMC utilizzando tale framework. Quindi, a mio avviso, c'è ancora un mistero".
Hen e i suoi collaboratori stanno facendo un lavoro sperimentale che è "valoroso" e "ottima scienza", ha detto. Ma non risolve completamente il problema del nucleo atomico.
"Ciò che è chiaro è che il modello tradizionale di fisica nucleare ... non può spiegare questo effetto EMC", ha detto. "Ora pensiamo che la spiegazione debba provenire dal QCD stesso."
QCD sta per cromodinamica quantistica, il sistema di regole che regolano il comportamento dei quark. Passare dalla fisica nucleare al QCD è un po 'come guardare due volte la stessa immagine: una volta su un telefono cellulare di prima generazione - questa è fisica nucleare - e poi di nuovo su una TV ad alta risoluzione - è la cromodinamica quantistica. La TV ad alta risoluzione offre molti più dettagli, ma è molto più complicata da costruire.
Il problema è che le equazioni QCD complete che descrivono tutti i quark in un nucleo sono troppo difficili da risolvere, hanno affermato Cloët e Hen. I supercomputer moderni sono a circa 100 anni di distanza dall'essere abbastanza veloci per il compito, secondo Cloët. E anche se oggi i supercomputer fossero abbastanza veloci, le equazioni non sono avanzate al punto da poterle collegare a un computer, ha detto.
Tuttavia, ha detto, è possibile lavorare con QCD per rispondere ad alcune domande. E proprio ora, ha detto, quelle risposte offrono una spiegazione diversa per l'effetto CEM: teoria del campo medio nucleare.
Non è d'accordo sul fatto che il 20% dei nucleoni in un nucleo siano legati in correlazioni a corto raggio. Gli esperimenti non lo dimostrano, ha detto. E ci sono problemi teorici con l'idea.
Ciò suggerisce che abbiamo bisogno di un modello diverso, ha detto.
"L'immagine che ho è, sappiamo che all'interno di un nucleo ci sono queste forze nucleari molto forti", ha detto Cloët. Questi sono "un po 'come i campi elettromagnetici, tranne per il fatto che sono forti campi di forza".
I campi operano a distanze così minuscole che sono di entità trascurabile al di fuori del nucleo, ma sono potenti al suo interno.
Nel modello di Cloët, questi campi di forza, che egli chiama "campi medi" (per la forza combinata che trasportano) deformano effettivamente la struttura interna di protoni, neutroni e pioni (un tipo di particella che trasporta forza).
"Proprio come se prendessi un atomo e lo inserissi in un forte campo magnetico, cambierai la struttura interna di quell'atomo", ha detto Cloët.
In altre parole, i teorici del campo medio pensano che la stanza sigillata descritta da Hen abbia dei buchi nelle pareti, e il vento soffia attraverso per far cadere i quark, allungandoli.
Cloët ha riconosciuto che è possibile che correlazioni a corto raggio spieghino una parte dell'effetto EMC e Hen ha affermato che anche i campi medi svolgono probabilmente un ruolo.
"La domanda è, che domina", ha detto Cloët.
Miller, che ha anche lavorato a lungo con Cloët, ha affermato che il campo medio ha il vantaggio di essere più ben radicato in teoria. Ma Cloët non ha ancora fatto tutti i calcoli necessari, ha detto.
E proprio ora il peso delle prove sperimentali suggerisce che Hen ha la meglio sull'argomento.
Hen e Cloët hanno entrambi affermato che i risultati degli esperimenti nei prossimi anni potrebbero risolvere la questione. Hen ha citato un esperimento in corso presso la Jefferson National Accelerator Facility in Virginia, che sposterà i nucleoni più vicini, a poco a poco, e consentirà ai ricercatori di vederli cambiare. Cloët ha affermato di voler vedere un "esperimento EMC polarizzato" che spezzerebbe l'effetto in base allo spin (un tratto quantico) dei protoni coinvolti. Potrebbe rivelare dettagli invisibili dell'effetto che potrebbe aiutare i calcoli, ha detto.
Tutti e tre i ricercatori hanno sottolineato che il dibattito è amichevole.
"È fantastico, perché significa che stiamo ancora facendo progressi", ha detto Miller. "Alla fine, qualcosa sarà nel libro di testo e il gioco della palla è finito ... Il fatto che ci siano due idee in competizione significa che è eccitante e vibrante. E ora finalmente abbiamo gli strumenti sperimentali per risolvere questi problemi."
