Inilah kebenaran misterius yang diketahui para ilmuwan sejak 1983: Proton dan neutron bertindak berbeda ketika mereka berada di dalam atom, dibandingkan mengambang bebas di luar angkasa. Secara khusus, partikel-partikel subatomik yang membentuk proton dan neutron itu, yang disebut quark, melambat secara masif begitu mereka terbatas pada inti atom.
Fisikawan benar-benar tidak suka ini, karena netron adalah netron apakah mereka di dalam atom atau tidak. Dan proton adalah proton. Baik proton dan neutron (yang bersama-sama membentuk kelas partikel yang disebut "nukleon") terdiri dari tiga partikel yang lebih kecil, yang disebut quark, yang diikat bersama oleh gaya yang kuat.
"Ketika Anda memasukkan quark ke dalam nukleus, mereka mulai bergerak lebih lambat, dan itu sangat aneh," kata rekan penulis studi Or Hen, seorang ahli fisika di Massachusetts Institute of Technology. Itu aneh karena interaksi kuat antara quark terutama menentukan kecepatan mereka, sedangkan kekuatan yang mengikat nukleus (dan juga bertindak atas quark di dalam nukleus) seharusnya sangat lemah, Hen menambahkan.
Dan tidak ada kekuatan lain yang diketahui yang harus memodifikasi perilaku quark di dalam nukleus secara intens. Namun, efeknya tetap ada: Fisikawan partikel menyebutnya efek EMC, dinamai untuk Kolaborasi Muon Eropa, kelompok yang menemukannya. Dan sampai saat ini, para ilmuwan tidak yakin apa yang menyebabkannya.
Dua partikel dalam nukleus biasanya ditarik bersama oleh kekuatan sekitar 8 juta elektron volt (8 MeV), ukuran energi dalam partikel. Quark dalam proton atau neutron terikat bersama sekitar 1.000 MeV. Jadi tidak masuk akal bahwa interaksi yang relatif ringan dari nukleus secara dramatis berdampak pada interaksi yang kuat di dalam quark, kata Hen kepada Live Science.
"Berapakah delapan di sebelah 1.000?" dia berkata.
Tetapi efek EMC tidak terlihat seperti dorongan ringan dari kekuatan luar. Meskipun bervariasi dari satu jenis inti ke yang berikutnya, "Ini tidak seperti setengah persen. Efeknya muncul dari data begitu Anda cukup kreatif untuk merancang percobaan untuk mencarinya," kata Hen.
Bergantung pada nukleus yang terlibat, ukuran nukleon yang terlihat (yang merupakan fungsi dari kecepatannya) dapat berubah 10 hingga 20 persen. Dalam nukleus emas, misalnya, proton dan neutron 20 persen lebih kecil daripada ketika mereka melayang bebas.
Para ahli teori menghasilkan banyak model berbeda untuk menjelaskan apa yang sedang terjadi di sini, kata Hen.
"Seorang teman saya bercanda bahwa EMC berdiri untuk 'Everybody's Model is Cool' karena setiap model sepertinya bisa menjelaskannya," katanya.
Namun seiring waktu, fisikawan melakukan lebih banyak percobaan, menguji model-model yang berbeda, dan satu demi satu jatuh.
"Tidak ada yang bisa menjelaskan semua data, dan kami dibiarkan dengan teka-teki besar. Kami memiliki banyak data sekarang, pengukuran bagaimana quark bergerak di dalam semua jenis inti yang berbeda, dan kami tidak bisa menjelaskan apa yang sedang terjadi ," dia berkata.
Alih-alih mencoba menjelaskan semua teka-teki sekaligus, Hen dan rekan-rekannya memutuskan untuk melihat satu kasus khusus interaksi neutron dan proton.
Dalam sebagian besar keadaan, proton dan neutron dalam sebuah nukleus tidak saling tumpang tindih, sebaliknya saling menghormati batas satu sama lain - meskipun mereka sebenarnya hanya sistem kuark terikat. Tetapi kadang-kadang, nukleon dihubungkan bersama dalam nukleus yang ada, dan mulai secara singkat, secara fisik tumpang tindih satu sama lain, menjadi apa yang oleh para ilmuwan disebut "pasangan berkorelasi." Setiap saat, sekitar 20 persen nukleon dalam nukleus tumpang tindih dengan cara ini.
Ketika itu terjadi, sejumlah besar energi mengalir di antara quark, secara fundamental mengubah struktur dan perilaku mereka yang terikat - sebuah fenomena yang disebabkan oleh kekuatan yang kuat. Dalam sebuah makalah yang diterbitkan 20 Februari di jurnal Nature, para peneliti berpendapat bahwa aliran energi ini justru menjelaskan efek EMC.
Tim itu membombardir banyak jenis nukleus dengan elektron, dan menemukan hubungan langsung antara pasangan nukleon ini dan efek EMC.
Data mereka sangat menyarankan, kata Hen, bahwa quark di sebagian besar nukleon tidak berubah sama sekali ketika mereka memasuki nukleus. Tetapi beberapa orang yang terlibat dalam pasangan nukleon mengubah perilaku mereka secara dramatis sehingga mereka memiringkan hasil rata-rata dalam percobaan apa pun. Banyaknya quark yang dimasukkan ke dalam ruang sekecil itu menyebabkan beberapa efek kekuatan kuat yang dramatis. Efek EMC adalah hasil dari hanya sebagian kecil dari anomali, bukan perubahan pada perilaku semua proton dan neutron.
Dari data, tim memperoleh fungsi matematika yang secara akurat menggambarkan bagaimana efek EMC berperilaku dari satu nukleus ke yang berikutnya.
"Mereka membuat prediksi, dan prediksi mereka kurang lebih dikonfirmasi," kata Gerald Feldman, fisikawan di Universitas George Washington yang menulis artikel Berita & Pandangan yang menyertainya dalam edisi yang sama di Nature, tetapi tidak terlibat dalam penelitian.
Itu bukti kuat bahwa efek pasangan ini adalah jawaban nyata terhadap misteri EMC, kata Feldman kepada Live Science.
Setelah 35 tahun, fisikawan partikel tampaknya telah memecahkan masalah ini dengan terlalu banyak solusi yang tidak baik. Hen mengatakan dia dan rekan-rekannya sudah memiliki percobaan tindak lanjut yang direncanakan untuk menyelidiki masalah ini bahkan lebih dalam, dan mengungkapkan kebenaran baru yang tidak diketahui tentang perilaku nukleon berpasangan di dalam atom.
