کشف رازی مهم درباره‌ی اتم‌ها
تاکنون، به اطلاعات موجود درباره‌ی اتم‌ها جزئیاتی اضافه نشده است. ذرات بنیادی که کوارک نامیده می‌شوند، به‌محض اینکه گرفتاری در جمعیت پروتون‌ها و نوترون‌ها، دچار نوعی کندی حرکت می‌شوند؛ اما درواقع، آن‌ها نباید دچار این کندی شوند. برای دهه‌ها، فیزیک‌دانان به‌دنبال نشانه‌هایی برای تمایل کوارک‌ها برای کاهش سرعت در اتم‌های بزرگ‌تر بودند؛ اما نتوانستند توضیح قانع‌کننده‌ای برای این مسئله بیابند. درحالحاضر، دانشمندان توانستند با نگاهی دقیق‌تر به داده‌های گذشته سرنخ‌هایی برای توضیح این پدیده عجیب به‌دست آورند.
گروه بزرگی از فیزیک‌دانان مشهور به CLAS Collaboration اخیرا دوباره داده‌های جمع‌آوری‌شده از آزمایش‌های پیشین در تأسیسات شتاب‌دهنده‌ی پرتو الکترون پیوسته آزمایشگاه جفرسون را بررسی کردند. هدف آن‌ها یافتن شواهدی در حمایت از یکی از دو توضیح بالقوه برای این سؤال بود که چرا کوارک‌ها (اجزای تشکیل‌دهنده‌ی پروتون‌ها و نوترون‌ها) درون اتم‌های بزرگ‌تر جنبش کمتری دارند.
در اوایل دهه‌ی ۱۹۸۰، گروهی اروپایی به‌نام Muon Collaboration اولین‌بار این پدیده را کشف کردند. آن‌ها متوجه تفاوت رفتار ذرات هسته‌ای در اتم‌های بزرگ‌تر مانند آهن درمقایسه‌با اتم‌های کوچک‌تر مانند هیدروژن شدند. این پدیده به‌عنوان اثر ای‌ام‌سی (EMC Effect) شناخته و مشخص شد که هرچه اتم بزرگ‌تر باشد، حرکت کوارک‌ها درون آن اتم کندتر است.
کوارک‌ها ذراتی با انرژی بسیار هستند که هنگام اشتراک‌گذاری آن‌ها را جذب می‌کنند. در زمان ایجاد پیوند سه‌گانه برای تشکیل پروتون‌ها و نوترون‌ها، نباید تفاوتی میان این امر در نظر گرفت که کوارک‌ها در هسته‌ها هستند یا در مکانی نامعلوم حرکت می‌کنند.
در مکانیک کوانتومی، با افزایش فضای اطراف ماده سرعت آن کاهش می‌یابد
داگلاس هیگین‌بوتام، فیزیک‌دان هسته‌ای در آزمایشگاه جفرسون، دراینباره گفت:
درحالحاضر، دو مدل اصلی برای توصیف این اثر وجود دارد. در یکی از این مدل‌ها، همه‌ی پروتون‌ها و نوترون‌های یک هسته و درنتیجه کوارک‌های آن‌ها به یک شیوه تغییر داده شدند.
توضیح دیگر حاکی از آن است که پاسخ در نوعی رابطه‌ی کوتاهبرد نهفته که وقتی رخ می‌دهد، گروه‌های مختلفی از کوارک‌ها در محدوده قرار می‌گیرند.
هیگین‌بوتام دراینباره گفت:
این توضیح بیان می‌کند بسیاری از پروتون‌ها و نوترون‌ها به‌گونه‌ای رفتار می‌کنند که انگار آزاد هستند؛ در حالی‌که سایر آن‌ها در ارتباطات کوتاهبرد هستند و بسیار اصلاح شدند.
پژوهشگران با تجزیه‌وتحلیل داده‌های قدیمی درباره‌ی پراکندگی الکترون‌های در‌حال‌حرکت درون نوترون‌ها و پروتون‌های اتم‌های کربن، آلومینیوم، سرب و آهن توانستند تابع جامعی کشف کنند که اثر ای‌ام‌سی را توصیف می‌کند. توصیف آن‌ها به بخت ارتباط کوتاهبرد بین یک نوترون و یک پروتون هنگام تماس بستگی دارد.
باراک اشمولر، فیزیک‌دان و پژوهشگر در دانشگاه استونی‌بروک در آمریکا، دراینباره گفت:
اکنون تابعی دراختیارمان است که در آن، جفت‌های همبسته‌ی کوتاهبرد نوترون‌پروتون را داریم و معتقدیم می‌توانند اثر ای‌ام‌سی را توصیف کنند.
این موضوع از مدل دوم بیان می‌کند کوارک‌ها فقط در وضعیت خاصی مانند عملکرد متفاوت هنگام نزدیکی بیش از حدمعمول ترکیب مناسب از پروتون و نوترون حمایت می‌کند. درغیر این‌صورت، ذرات هسته‌ای و کوارک‌های آن‌ها مانند عوامل آزاد رفتار می‌کنند.
از دیدگاه فیزیک کوانتوم، این رابطه‌ی نزدیک هم‌پوشانی سازگاری در ساختار است که به هر مجموعه‌ی کوارک‌ها اندکی آزادی بیشتر برای حرکت می‌دهد. اگر فضای دراختیار یک ذره را افزایش دهید، سرعت آن ذره در آن فضا کاهش می‌یابد.
اکسل اشمیت، دانشجوی فوق‌دکتری در آزمایشگاه علوم‌هسته‌ای دانشگاه MIT معتقد است:
در مکانیک کوانتومی، هر زمانی‌که فضای اطراف شیء را افزایش دهید، سرعت آن شیء کاهش می‌یابد. اگر فضا را تنگ‌تر کنید، سرعت آن افزایش می‌یابد.
این تابع جامع تقریبا توضیح می‌دهد چرا کوارک‌ها در اتم‌های بزرگ‌تر حرکت آهسته‌تری دارند. درواقع، هرچه تعداد نوترون‌ها در آن ناحیه بیشتر باشد، بخت هر پروتون برای یافتن جفت افزایش می‌یابد.
همچنین، این موضوع به این معنا است که می‌توانیم این ایده‌ی قدیمی را دور بیندازیم که می‌گوید این کاهش سرعت یکی از ویژگی‌های اصلی کوارک‌ها هنگام قرارگرفتن در هسته‌های بزرگ‌تر است.
اشمیت دراینباره گفت:
قبل از کشف این مدل، تصور می‌شد همه‌ی پروتون‌ها و نوترون‌ها وقتی در یک هسته به‌هم متصل می‌شوند، تمام کوارک‌هایشان شروع به کم‌کردن سرعتشان می‌کنند. آنچه این مدل پیشنهاد می‌دهد، این است که بیشتر پروتون‌ها و نوترون‌ها به‌نحوی به کار خود ادامه می‌دهند که انگار اتفاقی نیفتاده و این پروتون‌ها و نوترون‌های انتخاب‌شده در این جفت‌ها هستند که تغییرات مهمی در کوارک‌های خود دارند.
این کشف برای بستن کتاب این راز کافی نیست. آزمایش‌های بعدی در آزمایشگاه جفرسون جزئیات بیشتری درباره‌ی چگونگی حرکت پروتون‌ها در هسته‌های با جمعیت کمتر مانند دوتریوم در اتم هیدروژن را کشف خواهد کرد. بااین‌حال، این کشف درحالحاضر توضیحی قانع‌کننده برای اثر ای‌ام‌سی است و جزئیات اندکی درباره‌ی مهمانی رقص در قلب فیزیک هسته‌ای دراختیارمان قرار می‌دهد.