Voici une vérité mystérieuse que les scientifiques connaissent depuis 1983: les protons et les neutrons agissent différemment lorsqu'ils sont à l'intérieur d'un atome, par opposition à flotter librement dans l'espace. Plus précisément, les particules subatomiques qui composent ces protons et neutrons, appelés quarks, ralentissent massivement une fois confinées à un noyau dans un atome.
Les physiciens n'aimaient vraiment pas cela, car les neutrons sont des neutrons, qu'ils soient à l'intérieur d'un atome ou non. Et les protons sont des protons. Les protons et les neutrons (qui forment ensemble la classe de particules appelées "nucléons") sont constitués de trois particules plus petites, appelées quarks, liées ensemble par la force forte.
"Lorsque vous mettez des quarks dans un noyau, ils commencent à se déplacer plus lentement, et c'est très bizarre", a déclaré le co-auteur de l'étude, Or Hen, physicien au Massachusetts Institute of Technology. C'est étrange car les interactions puissantes entre les quarks déterminent principalement leur vitesse, tandis que les forces qui lient le noyau (et agissent également sur les quarks à l'intérieur du noyau) sont censées être très faibles, a ajouté Hen.
Et il n'y a aucune autre force connue qui devrait modifier si intensément le comportement des quarks dans un noyau. Pourtant, l'effet demeure: les physiciens des particules l'appellent l'effet EMC, du nom de la European Muon Collaboration, le groupe qui l'a découvert. Et jusqu'à récemment, les scientifiques n'étaient pas sûrs de la cause.
Deux particules d'un noyau sont généralement rapprochées par une force d'environ 8 millions d'électrons volts (8 MeV), une mesure de l'énergie dans les particules. Les quarks d'un proton ou d'un neutron sont liés par environ 1 000 MeV. Il n'est donc pas logique que les interactions relativement douces du noyau aient un impact dramatique sur les interactions puissantes à l'intérieur des quarks, a déclaré Hen à Live Science.
"Qu'est-ce que huit à côté de 1000?" il a dit.
Mais l'effet EMC ne ressemble pas à un léger coup de pouce d'une force extérieure. Bien que cela varie d'une sorte de noyau à l'autre, "ce n'est pas comme un demi pour cent. L'effet sort des données une fois que vous êtes assez créatif pour concevoir une expérience pour la rechercher", a déclaré Hen.
Selon le noyau impliqué, la taille apparente des nucléons (qui est fonction de leur vitesse) peut changer de 10 à 20%. Dans un noyau d'or, par exemple, les protons et les neutrons sont 20% plus petits qu'ils ne le sont lorsqu'ils flottent librement.
Les théoriciens ont proposé de nombreux modèles différents pour expliquer ce qui se passait ici, a déclaré Hen.
"Un de mes amis a plaisanté en disant qu'EMC représentait 'Everybody's Model is Cool' parce que chaque modèle semblait pouvoir l'expliquer", a-t-il déclaré.
Mais au fil du temps, les physiciens ont fait plus d'expériences, testant ces différents modèles, et l'un après l'autre est tombé.
"Personne ne pouvait expliquer toutes les données, et nous nous sommes retrouvés avec un gros casse-tête. Nous avons maintenant beaucoup de données, des mesures de la façon dont les quarks se déplacent à l'intérieur de toutes sortes de noyaux différents, et nous ne pouvions pas expliquer ce qui se passait. ," il a dit.
Au lieu d'essayer d'expliquer tout le puzzle en même temps, Hen et ses collègues ont décidé d'examiner un seul cas particulier d'interaction neutron-proton.
Dans la plupart des circonstances, les protons et les neutrons dans un noyau ne se chevauchent pas, respectant plutôt les limites les uns des autres - même s'il ne s'agit en réalité que de systèmes de quarks liés. Mais parfois, les nucléons sont liés entre eux au sein d'un noyau existant et commencent à se chevaucher brièvement, physiquement, devenant ce que les scientifiques appellent des «paires corrélées». À tout moment, environ 20% des nucléons d'un noyau se chevauchent de cette manière.
Lorsque cela se produit, d'énormes quantités d'énergie circulent parmi les quarks, modifiant fondamentalement leur structure et leur comportement liés - un phénomène provoqué par la force puissante. Dans un article publié le 20 février dans la revue Nature, les chercheurs ont fait valoir que ce flux d'énergie explique précisément l'effet CEM.
L'équipe a bombardé de nombreux types de noyaux différents avec des électrons et a trouvé une relation directe entre ces paires de nucléons et l'effet CEM.
Selon Hen, leurs données suggèrent fortement que les quarks de la plupart des nucléons ne changent pas du tout lorsqu'ils pénètrent dans un noyau. Mais ces quelques personnes impliquées dans les paires de nucléons changent si radicalement leur comportement qu'elles biaisent les résultats moyens dans n'importe quelle expérience. Que de nombreux quarks entassés dans un si petit espace provoquent des effets de force puissants et dramatiques. L'effet CEM est le résultat d'une minorité d'anomalies plutôt que d'une modification du comportement de tous les protons et neutrons.
À partir des données, l'équipe a dérivé une fonction mathématique qui décrit avec précision le comportement de l'effet CEM d'un noyau au suivant.
"Ils ont fait une prédiction, et leur prédiction a été plus ou moins confirmée", a déclaré Gerald Feldman, physicien à l'Université George Washington, qui a écrit un article de News & Views dans le même numéro de Nature, mais n'a pas été impliqué dans la recherche.
C'est une preuve solide que cet effet d'appariement est la vraie réponse au mystère EMC, a déclaré Feldman à Live Science.
Après 35 ans, les physiciens des particules semblent avoir résolu ce problème avec trop de mauvaises solutions. Hen a déclaré que lui et ses collègues avaient déjà prévu des expériences de suivi pour approfondir le problème et révéler de nouvelles vérités inconnues sur le comportement des nucléons appariés à l'intérieur des atomes.
