科學家早在1983年就發(fā)現(xiàn)了這一難以理解的事實：質(zhì)子和中子在原子內(nèi)部的行為與其自由漂浮時的行為不一致,。具體地說，構(gòu)成質(zhì)子和中子的亞原子粒子夸克,，一旦被局限在原子的原子核內(nèi)后,，就會大幅減速。

物理學家實在不喜歡這一現(xiàn)象,。因為不管是不是在原子里,，中子就是中子,，質(zhì)子就是質(zhì)子。質(zhì)子和中子(這兩種粒子都屬于核子)都是由三個更小的粒子夸克組成的,，在強力作用下彼此緊密結(jié)合,。

麻省理工學院的物理學家Or Hen是2月20日發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上的一篇論文的作者之一。這篇論文揭示了這一事實的成因,。他說：“當把夸克放進原子核時,，它們的移動速度就開始變慢，這一變化非常奇怪,?！逼婀种幵谟冢淇说乃俣戎饕伤鼈冎g強大的相互作用決定,，而一般認為束縛原子核的力(也作用于原子核內(nèi)的夸克)則非常弱, Hen補充說,。

目前已知的力中，還沒有哪個可以如此強烈地改變夸克在原子核中的行為,。粒子物理學家將夸克這種速度變化稱為EMC效應(yīng),，以發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)的歐洲μ子實驗合作組(European Muon Collaboration)的名字命名。

原子核中的兩個粒子(質(zhì)子和中子)通常被約800萬電子伏特(8MeV)的力拉在一起(電子伏特用來測量粒子的能量),。然而,，質(zhì)子或中子中的夸克在大約1000MeV的力的作用下結(jié)合在一起。Hen說道,，原子核之間相對輕柔的相互作用顯著影響夸克內(nèi)部強大的相互作用,，這根本說不通。

“和1000比起來,，8才算多少?”

但EMC效應(yīng)看起來不像是外力輕輕一推那么簡單,。

根據(jù)實驗用到的原子核的研究結(jié)果，核子的體積大小(可以反映核子的速度大小)會改變10%到20%,。例如,，在金元素的原子核中，質(zhì)子和中子比它們自由漂浮時體積要小20%,。

Hen說,，理論家提出了許多不同的模型來解釋這種現(xiàn)象。

“我的一個朋友開玩笑說,，EMC代表‘每個人的模型都很酷’(Everybody's Model is Cool),，因為每個模型似乎都能解釋這個問題?！彼f,。

但隨著時間的推移，為了測試這些模型,，物理學家做的試驗也越來越多,，但都徒勞無功,。

“沒有人能夠解釋所有的數(shù)據(jù)，我們面臨著一個大難題,。雖然我們現(xiàn)在有很多數(shù)據(jù),，很多夸克在各種不同的原子核中如何運動的測量值，但是我們?nèi)詿o法解釋發(fā)生了什么,?！彼f。

Hen和他的同事們并不打算立刻解釋所有的謎團,，而是決定只研究中子和質(zhì)子相互作用的一個特例,。

大多數(shù)情況下，原子核中的質(zhì)子和中子不會相互重疊,，而是尊重彼此的邊界——即使它們實際上只是由受約束的夸克組成的系統(tǒng),。但有時侯，在原子核內(nèi)部,，核子會連在一起,，并開始短暫地彼此重疊，形成科學家所說的“關(guān)聯(lián)對”,。無論何時,，原子核中大約20%的核子會以這種方式重疊。

當這種情況發(fā)生時,，大量能量在夸克之間流動,，從根本上改變了它們的受約束結(jié)構(gòu)和行為方式——這種現(xiàn)象由強力引起。在2月20日發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上的一篇論文中,，研究人員認為,，這種能量流動正是EMC效應(yīng)產(chǎn)生的原因。

研究小組用電子轟擊了許多不同類型的原子核,，發(fā)現(xiàn)這些核子對與EMC效應(yīng)之間存在直接關(guān)系,。

Hen說,，他們的數(shù)據(jù)有力地表明,，大多數(shù)核子中的夸克在進入原子核時根本不會改變。但那些參與核子對的少數(shù)夸克的行為會發(fā)生巨大的變化,，以致于在任何實驗中都改變了平均結(jié)果,。小小空間里擠了太多夸克，就會產(chǎn)生一些急劇的強力效應(yīng),。EMC效應(yīng)只是少數(shù)異?，F(xiàn)象的結(jié)果，而不是說所有質(zhì)子和中子的行為都發(fā)生了改變,。

從這些數(shù)據(jù)中,，研究小組得出了一個數(shù)學函數(shù),，精確地描述了EMC效應(yīng)是如何從一個原子核傳遞到下一個原子核的。

喬治華盛頓大學的物理學家杰拉爾德·費爾德曼(Gerald Feldman)沒有參與這項研究,，但是寫了相關(guān)的新聞評論,。他說：“他們(論文作者)做了預測，預測也或多或少得到了證實,?！?/p>

這有力地證明了這種核子配對效應(yīng)是EMC之謎的真正答案。

35年過去了,，做了許多無用功之后,，粒子物理學家似乎終于解決了這個問題。Hen說,，他和他的同事已經(jīng)計劃進一步實驗來更深入地探究這個問題,，并揭示更多原子中配對核子行為的未知真相。