Tidak ada yang benar-benar tahu apa yang terjadi di dalam atom. Tetapi dua kelompok ilmuwan yang bersaing berpikir mereka telah menemukan jawabannya. Dan keduanya berlomba untuk membuktikan bahwa penglihatan mereka sendiri benar.
Inilah yang kita ketahui dengan pasti: Elektron berputar di sekitar "orbital" di kulit terluar atom. Lalu ada banyak ruang kosong. Dan kemudian, tepat di pusat ruang itu, ada nukleus kecil - simpul padat proton dan neutron yang memberikan atom sebagian besar massanya. Proton dan neutron itu berkumpul bersama, terikat oleh apa yang disebut gaya kuat. Dan jumlah proton dan neutron menentukan apakah atom itu besi atau oksigen atau xenon, dan apakah itu radioaktif atau stabil.
Namun, tidak ada yang tahu bagaimana proton dan neutron (bersama-sama dikenal sebagai nukleon) berperilaku di dalam atom. Di luar atom, proton dan neutron memiliki ukuran dan bentuk yang pasti. Masing-masing terdiri dari tiga partikel yang lebih kecil yang disebut quark, dan interaksi antara quark sangat kuat sehingga tidak ada kekuatan eksternal yang dapat mengubah bentuknya, bahkan kekuatan kuat antar partikel dalam nukleus. Tetapi selama beberapa dekade, para peneliti telah mengetahui bahwa teorinya dalam beberapa hal salah. Eksperimen telah menunjukkan bahwa, di dalam nukleus, proton dan neutron tampak jauh lebih besar dari yang seharusnya. Fisikawan telah mengembangkan dua teori yang saling bersaing yang mencoba menjelaskan ketidakcocokan yang aneh itu, dan para pendukung masing-masing cukup yakin yang lain salah. Kedua kubu sepakat, bahwa apa pun jawaban yang benar, itu harus berasal dari bidang di luar milik mereka.
Sejak setidaknya tahun 1940-an, fisikawan telah mengetahui bahwa nukleon bergerak dalam orbital kecil yang ketat di dalam nukleus, Gerald Miller, seorang ahli fisika nuklir di University of Washington, mengatakan kepada Live Science. Nukleon, yang terkurung dalam gerakannya, memiliki energi yang sangat sedikit. Mereka tidak melompat-lompat, terkekang oleh kekuatan yang kuat.
Pada tahun 1983, fisikawan di Organisasi Eropa untuk Riset Nuklir (CERN) memperhatikan sesuatu yang aneh: Berkas elektron memantulkan besi dengan cara yang sangat berbeda dengan cara mereka memantulkan proton bebas, kata Miller. Itu tidak terduga; jika proton di dalam hidrogen memiliki ukuran yang sama dengan proton di dalam besi, elektron seharusnya memantul dengan cara yang sama.
Pada awalnya, para peneliti tidak tahu apa yang mereka lihat.
Namun seiring berjalannya waktu, para ilmuwan mulai percaya bahwa itu adalah masalah ukuran. Untuk beberapa alasan, proton dan neutron di dalam nukleus berat bertindak seolah-olah mereka jauh lebih besar daripada ketika mereka berada di luar nuklei. Para peneliti menyebut fenomena ini efek EMC, setelah Kolaborasi Muon Eropa - kelompok yang secara tidak sengaja menemukannya. Itu melanggar teori fisika nuklir yang ada.
Atau Hen, seorang ahli fisika nuklir di MIT, memiliki ide yang berpotensi menjelaskan apa yang sedang terjadi.
Sementara quark, partikel subatomik yang membentuk nukleon, sangat berinteraksi dalam proton atau neutron yang diberikan, quark dalam proton dan neutron yang berbeda tidak dapat berinteraksi banyak satu sama lain, katanya. Gaya kuat di dalam sebuah nukleon sangat kuat sehingga mengungguli gaya kuat yang menahan nukleon ke nukleon lain.
"Bayangkan duduk di kamarmu berbicara dengan dua temanmu dengan jendela tertutup," kata Hen.
Trio di ruangan itu adalah tiga quark di dalam neutron atau proton.
"Angin sepoi-sepoi bertiup di luar," katanya.
Angin sepoi-sepoi itu adalah gaya yang menahan proton atau neutron ke nukleon terdekat yang berada "di luar" jendela. Bahkan jika sedikit menyelinap melalui jendela yang tertutup, kata Hen, itu hampir tidak akan memengaruhi Anda.
Dan selama nukleon tetap berada di orbitalnya, itulah masalahnya. Namun, katanya, percobaan terbaru menunjukkan bahwa pada waktu tertentu, sekitar 20% nukleon dalam nukleus sebenarnya di luar orbitalnya. Sebagai gantinya, mereka berpasangan dengan nukleon lain, berinteraksi dalam "korelasi jarak pendek." Dalam keadaan itu, interaksi antara nukleon jauh lebih tinggi dari biasanya, katanya. Itu karena quark menembus dinding nukleon masing-masing dan mulai berinteraksi secara langsung, dan interaksi quark-quark itu jauh lebih kuat daripada interaksi nukleon-nukleon.
Interaksi ini memecah dinding yang memisahkan quark di dalam proton atau neutron individu, kata Hen. Quark yang membentuk satu proton dan quark yang membentuk proton lain mulai menempati ruang yang sama. Ini menyebabkan proton (atau neutron, tergantung pada kasusnya) meregang dan kabur, kata Hen. Mereka tumbuh banyak, meskipun untuk waktu yang sangat singkat. Itu memiringkan ukuran rata-rata seluruh kohort di dalam nukleus - menghasilkan efek EMC.
Sebagian besar fisikawan sekarang menerima interpretasi efek EMC ini, kata Hen. Dan Miller, yang bekerja dengan Hen pada beberapa penelitian utama, setuju.
Tetapi tidak semua orang mengira kelompok Hen memiliki masalah. Ian Cloët, seorang fisikawan nuklir di Argonne National Laboratory di Illinois, mengatakan dia pikir karya Hen menarik kesimpulan bahwa data tidak sepenuhnya mendukung.
"Saya pikir efek EMC masih belum terselesaikan," kata Cloët kepada Live Science. Itu karena model dasar fisika nuklir sudah memperhitungkan banyak pasangan jarak pendek yang dijelaskan Hen. Namun, "jika Anda menggunakan model itu untuk mencoba dan melihat efek EMC, Anda tidak akan menjelaskan efek EMC. Tidak ada penjelasan yang sukses tentang efek EMC menggunakan kerangka kerja itu. Jadi menurut saya, masih ada misteri."
Hen dan rekan-rekannya melakukan pekerjaan eksperimental yang "gagah" dan "sains yang sangat bagus," katanya. Tapi itu tidak sepenuhnya menyelesaikan masalah inti atom.
"Yang jelas adalah bahwa model tradisional fisika nuklir ... tidak dapat menjelaskan efek EMC ini," katanya. "Kami sekarang berpikir bahwa penjelasannya pasti berasal dari QCD itu sendiri."
QCD adalah singkatan dari quantum chromodynamics - sistem aturan yang mengatur perilaku quark. Pergeseran dari fisika nuklir ke QCD agak seperti melihat gambar yang sama dua kali: sekali pada ponsel flip generasi pertama - itu fisika nuklir - dan sekali lagi pada TV resolusi tinggi - itu chromodinamika kuantum. TV beresolusi tinggi menawarkan lebih banyak detail, tetapi jauh lebih rumit untuk dibuat.
Masalahnya adalah bahwa persamaan QCD lengkap yang menggambarkan semua quark dalam nukleus terlalu sulit untuk dipecahkan, kata Cloët dan Hen. Superkomputer modern sekitar 100 tahun lagi tidak cukup cepat untuk tugas itu, kata Cloët. Dan bahkan jika superkomputer cukup cepat hari ini, persamaannya belum maju ke titik di mana Anda bisa menghubungkannya ke komputer, katanya.
Meski begitu, katanya, mungkin untuk bekerja dengan QCD untuk menjawab beberapa pertanyaan. Dan sekarang, katanya, jawaban itu menawarkan penjelasan berbeda untuk efek EMC: Teori Bidang-Nuklir.
Dia tidak setuju bahwa 20% nukleon dalam nukleus terikat dalam korelasi jangka pendek. Eksperimen tidak membuktikan itu, katanya. Dan ada masalah teoretis dengan gagasan itu.
Itu menunjukkan kita membutuhkan model yang berbeda, katanya.
"Gambaran yang saya miliki adalah, kita tahu bahwa di dalam inti adalah kekuatan nuklir yang sangat kuat ini," kata Cloët. Ini "sedikit seperti medan elektromagnetik, kecuali itu medan gaya yang kuat."
Ladang beroperasi pada jarak yang sangat kecil sehingga tidak dapat diabaikan di luar nukleus, tetapi mereka sangat kuat di dalamnya.
Dalam model Cloët, medan gaya ini, yang ia sebut "medan berarti" (untuk kekuatan gabungan yang dibawanya) sebenarnya merusak struktur internal proton, neutron, dan pion (sejenis partikel pembawa kekuatan yang kuat).
"Sama seperti jika Anda mengambil atom dan meletakkannya di dalam medan magnet yang kuat, Anda akan mengubah struktur internal atom itu," kata Cloet.
Dengan kata lain, para ahli teori bidang berpikir bahwa ruang tertutup yang digambarkan Hen memiliki lubang di dindingnya, dan angin berhembus untuk mengetuk kuark sekitar, merentangkannya.
Cloët mengakui bahwa mungkin saja korelasi jangka pendek kemungkinan menjelaskan sebagian dari efek EMC, dan Hen mengatakan bidang rata-rata kemungkinan memainkan peran juga.
"Pertanyaannya adalah, mana yang mendominasi," kata Cloët.
Miller, yang juga telah bekerja secara luas dengan Cloet, mengatakan bahwa bidang rata-rata memiliki keuntungan menjadi lebih beralasan dalam teori. Tetapi Cloët belum melakukan semua perhitungan yang diperlukan, katanya.
Dan saat ini bobot bukti eksperimental menunjukkan bahwa Hen memiliki argumen yang lebih baik.
Hen dan Cloet keduanya mengatakan hasil percobaan dalam beberapa tahun mendatang dapat menyelesaikan pertanyaan. Hen mengutip sebuah eksperimen yang sedang berlangsung di Jefferson National Accelerator Facility di Virginia yang akan memindahkan nukleon lebih dekat bersama, sedikit demi sedikit, dan memungkinkan para peneliti untuk menyaksikannya berubah. Cloët mengatakan dia ingin melihat "eksperimen EMC terpolarisasi" yang akan memecah efek berdasarkan putaran (sifat kuantum) dari proton yang terlibat. Ini mungkin mengungkapkan rincian efek yang dapat membantu perhitungan yang tak terlihat, katanya.
Ketiga peneliti menekankan bahwa perdebatan itu bersahabat.
"Sangat bagus, karena itu berarti kita masih membuat kemajuan," kata Miller. "Pada akhirnya, sesuatu akan ada di buku teks dan permainan bola berakhir ... Fakta bahwa ada dua ide yang bersaing berarti bahwa itu menarik dan bersemangat. Dan sekarang akhirnya kita memiliki alat eksperimental untuk menyelesaikan masalah ini."
