アトムの内部で何が起きているのか、実際には誰も知りません。しかし、2つの競合する科学者グループは、それを理解したと考えています。そして、両者は彼ら自身のビジョンが正しいことを証明するために競争しています。
ここに私たちが確かに知っていることがあります。電子は、原子の外殻の「軌道」を回ります。次に、空のスペースがたくさんあります。そして、その空間の真ん中に、小さな原子核があります。原子の質量のほとんどを占める陽子と中性子の密な結び目です。これらの陽子と中性子は、強い力と呼ばれるものによって束縛され、一緒に集まります。そして、それらの陽子と中性子の数は、原子が鉄か酸素かキセノンか、そしてそれが放射性か安定かを決定します。
それでも、それらの陽子と中性子（まとめて核子と呼ばれます）が原子内でどのように動作するかは誰にもわかりません。原子の外では、陽子と中性子は一定のサイズと形状を持っています。それらのそれぞれは、クォークと呼ばれる3つの小さな粒子で構成されており、それらのクォーク間の相互作用は非常に強いため、核内の粒子間の強力な力でさえ、外力で変形させることはできません。しかし何十年もの間、研究者たちは理論が何らかの形で間違っていることを知っています。実験により、核の内部では、陽子と中性子は本来よりもはるかに大きく見えることが示されています。物理学者たちは、奇妙なミスマッチを説明しようとする2つの競合する理論を開発しました。それぞれの支持者は、他の主張が間違っていると確信しています。しかし、どちらの陣営も、正しい答えが何であれ、自分たちの枠を超えた分野からのものでなければならないことに同意しています。
ワシントン大学の核物理学者であるジェラルドミラー氏は、少なくとも1940年代以来、核子が核内の狭い軌道を移動することを知っていたとLive Scienceに語った。核子は、その動きに閉じ込められており、エネルギーはほとんどありません。彼らは強い力に拘束されて、あまり跳ね回らない。
1983年、ヨーロッパ核研究機構（CERN）の物理学者は奇妙なことに気づきました。電子のビームが自由陽子から跳ね返るのとは非常に異なる方法で鉄から跳ね返ったと、ミラーは言いました。それは予想外でした。水素内の陽子が鉄内の陽子と同じサイズである場合、電子はほぼ同じ方法で跳ね返るはずです。
最初、研究者たちは自分が何を見ているのか知りませんでした。
しかし、時間の経過とともに、科学者たちはそれがサイズの問題であると信じるようになりました。何らかの理由で、重い原子核の内部にある陽子と中性子は、原子核の外にあるときよりもはるかに大きいかのように振る舞います。研究者は、この現象を、ヨーロッパのミュオン共同作業-誤って発見したグループ-の後のEMC効果と呼びます. それは核物理学の既存の理論に違反しています。
または、MITの核物理学者であるヘンは、何が起こっているのかを説明できる可能性があるという考えを持っています。
核子を構成する素粒子であるクォークは、特定の陽子または中性子内で強く相互作用しますが、異なる陽子および中性子のクォークは互いにあまり相互作用できません。核子内部の強い力は非常に強いので、核子を他の核子に保持する強い力を覆い隠します。
「窓を閉めたまま、部屋に座って2人の友人と話しているところを想像してみてください」と編は言いました。
部屋のトリオは、中性子または陽子の中の3つのクォークです。
「そよ風が外に吹いている」と彼は言った。
そのそよ風は、陽子または中性子を窓の「外側」にある近くの核子に保持する力です。閉じた窓から少しでも忍び寄ったとしても、それはほとんど影響を及ぼさないとヘンは言った。
そして、核子がそれらの軌道にとどまっている限り、そうです。しかし、最近の実験では、いつでも核内の核子の約20％が実際には軌道の外にあることが示されました。代わりに、それらは他の核子と対になり、「短距離相関」で相互作用します。そのような状況下では、核子間の相互作用は通常よりもはるかに高いエネルギーであると彼は言った。これは、クォークが個々の核子の壁を突き抜けて直接相互作用し始め、それらのクォーク-クォーク相互作用が核子-核子相互作用よりもはるかに強力であるためです。
これらの相互作用は、個々の陽子または中性子内部のクォークを分離している壁を破壊する、とヘンは言った。 1つの陽子を構成するクォークと別の陽子を構成するクォークが同じ空間を占有し始めます。これにより、陽子（または、場合によっては中性子）が伸びてぼやけます。非常に短い期間ですが、彼らは大きく成長します。これは、核内のコホート全体の平均サイズを歪め、EMC効果を生み出します。
ヘン氏によると、ほとんどの物理学者は現在、このEMC効果の解釈を受け入れているという。そして、主要な研究のいくつかで編と一緒に働いたミラーは同意しました。
しかし、全員がヘンのグループが問題を解決したと思っているわけではありません。イリノイ州のアルゴンヌ国立研究所の核物理学者であるイアンクロエは、ヘンの研究はデータが完全にはサポートしていないという結論を導き出していると考えていると語った。
「EMCの影響はまだ解決されていないと思う」とクロエはライブサイエンスに語った。それは、核物理学の基本モデルが、ヘンが説明している短距離ペアリングの多くをすでに説明しているためです。しかし、「そのモデルを使用してEMC効果を試してみると、EMC効果を説明することはできません。そのフレームワークを使用したEMC効果の成功例はありません。したがって、私にはまだ謎があります。」
ヘンと彼の共同研究者は「勇敢」で「非常に優れた科学」である実験的な仕事をしていると彼は言った。しかし、それは原子核の問題を完全に解決するわけではありません。
「はっきりしていることは、核物理学の伝統的なモデルがこのEMC効果を説明できないことだ」と彼は言った。 「私たちは今、説明はQCD自体から来ているに違いないと考えています。」
QCDは、量子色力学-クォークの振る舞いを支配する規則のシステムを意味します。核物理学からQCDへの移行は、同じ画像を2回見るのと少し似ています。1回目は第一世代の折りたたみ式電話で、それは核物理学であり、もう1つは高解像度テレビで、量子色力学です。高解像度テレビはより多くの詳細を提供しますが、構築ははるかに複雑です。
問題は、原子核のすべてのクォークを記述する完全なQCD方程式は解くのが難しすぎるということです、とクロエとヘンは両方とも言いました。 Cloët氏は、最近のスーパーコンピューターは、このタスクを実行するのに十分な速度であるとは約100年先にあると推定しています。そして、今日のスーパーコンピューターが十分に高速であったとしても、方程式はコンピューターに接続できるほどには進んでいない、と彼は言った。
それでも、QCDと協力していくつかの質問に答えることは可能だと彼は言った。そして今、彼は言った、それらの答えはEMC効果の異なる説明を提供します：核平均場理論。
彼は、核内の核子の20％が短距離相関で束縛されていることに同意しません。実験はそれを証明しない、と彼は言った。そして、アイデアには理論的な問題があります。
それは別のモデルが必要であることを示唆している、と彼は言った。
「私が持っている絵は、核の中にはこれらの非常に強い核力があることを私たちは知っている」とクロエは言った。これらは「強い力の場であることを除いて、電磁界のようなものです」。
フィールドは、核の外側では無視できる大きさの非常に小さな距離で動作しますが、その内部では強力です。
クロエのモデルでは、彼が「平均場」と呼ぶこれらの力場（それらが運ぶ総合強度のため）は、実際に陽子、中性子、およびパイ中間子（強い力を運ぶ粒子の一種）の内部構造を変形させます。
「原子を取り出し、それを強い磁場の中に置くように、その原子の内部構造を変えるでしょう」とクロエは言った。
言い換えれば、平均場の理論家たちは、ヘンが説明した密閉された部屋の壁に穴があり、風が吹き抜けてクォークをノックして引き伸ばしていると考えています。
クロエは、短距離相関がEMC効果の一部を説明している可能性があることを認めており、ヘンは、平均磁場も役割を果たす可能性が高いと述べた。
「問題は、それが支配的だ」とクロエ氏は語った。
Cloëtと幅広く協力してきたMiller氏は、平均場には理論上より根拠があるという利点があると述べました。しかし、クロエ氏はまだ必要な計算をすべて行っていない、と彼は言った。
そして今のところ、実験的証拠の重みは、雌鳥がより良い議論をしていることを示唆しています。
ヘン氏とクロエ氏はどちらも、今後数年間の実験結果で問題を解決できると語った。ヘン氏は、バージニア州のジェファーソン国立加速器施設で進行中の実験で、核子を少しずつ近づけ、研究者がそれらの変化を観察できるようにすることを挙げました。クロエ氏は、関与する陽子のスピン（量子特性）に基づいて効果を分解する「分極EMC実験」を見たいと述べた。それは計算を助けることができる影響の目に見えない詳細を明らかにするかもしれないと彼は言った。
3人の研究者全員が、この討論は友好的であると強調しました。
「それは素晴らしいことだ。なぜなら、それは私たちがまだ進歩を続けていることを意味するからだ」 「やがて、教科書に何かが起こり、球技は終了します。2つの競合するアイデアがあるという事実は、それがエキサイティングで活気に満ちていることを意味します。そして今、これらの問題を解決するための実験的なツールがあります。」
