這是一個自 1983 年以來科學家們就已知的神秘事實：質子和中子在原子內部和在太空中自由漂浮時的行為不同。具體來說，構成質子和中子的亞原子粒子，稱為夸克，一旦被限制在原子核中，速度就會大幅減慢。
物理學家真的不喜歡這樣，因為中子無論在原子內部還是外部，都是中子。質子也是質子。 質子和中子（它們共同構成了稱為“核子”的粒子類別）都由三個更小的粒子組成，稱為夸克，它們透過強力結合在一起。
“當你把夸克放入原子核時，它們開始移動得更慢，這非常奇怪，”研究合著者、麻省理工學院物理學家 Or Hen 說。 這很奇怪，因為夸克之間強大的相互作用主要決定了它們的速度，而結合原子核的力（也作用於原子核內的夸克）本應非常弱，Hen 補充道。
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而且沒有其他已知的力應該如此強烈地改變原子核中夸克的行為。 然而，這種效應仍然存在：粒子物理學家稱之為 EMC 效應，以發現它的歐洲μ子合作組織 (European Muon Collaboration) 的名字命名。 直到最近，科學家們還不確定是什麼原因造成的。 [物理學中最大的未解之謎]
原子核中的兩個粒子通常被大約 800 萬電子伏特 (8 MeV) 的力拉在一起，這是粒子能量的度量單位。 質子或中子中的夸克透過大約 1,000 MeV 結合在一起。 因此，原子核相對溫和的相互作用會極大地影響夸克內部強大的相互作用，這似乎不合理，Hen 告訴 Live Science。
“8 和 1,000 相比算什麼呢？” 他說。
但是 EMC 效應看起來不像來自外力的輕微推動。 雖然它因原子核的種類而異，“但它不像百分之零點五。 一旦你足夠有創意地設計一個實驗來尋找它，這種效應就會從資料中跳出來，”Hen 說。
根據所涉及的原子核，核子（這是其速度的函式）的表觀大小可能會改變 10% 到 20%。 例如，在金原子核中，質子和中子比它們自由漂浮時小 20%。
理論家們提出了許多不同的模型來解釋這裡發生的事情，Hen 說。
“我的一個朋友開玩笑說，EMC 代表‘每個人的模型都很酷’，因為每個模型似乎都可以解釋它，”他說。
但是隨著時間的推移，物理學家做了更多的實驗，測試了這些不同的模型，一個接一個地被否定了。
“沒有人可以解釋所有的資料，我們留下了一個巨大的謎題。 我們現在有很多資料，測量了夸克在各種不同原子核內部的運動方式，但我們無法解釋發生了什麼，”他說。
Hen 和他的同事沒有試圖一次解釋所有謎題，而是決定只研究中子和質子相互作用的一個特殊情況。
在大多數情況下，原子核中的質子和中子彼此不重疊，而是相互尊重彼此的邊界——即使它們實際上只是束縛夸克的系統。 但是有時，核子會在現有原子核內連線在一起，並開始短暫地、物理地相互重疊，成為科學家所說的“相關對”。 在任何時候，原子核中大約 20% 的核子以這種方式重疊。
當這種情況發生時，大量的能量在夸克之間流動，從根本上改變了它們的束縛結構和行為——這種現象是由強力引起的。 在 2 月 20 日發表在《自然》雜誌上的一篇論文中，研究人員認為，這種能量流動恰好解釋了 EMC 效應。 [粒子物理學的標準模型]
該團隊用電子轟擊了許多不同型別的原子核，發現這些核子對與 EMC 效應之間存在直接關係。
他們的資料強烈表明，Hen 說，大多數核子中的夸克在進入原子核時根本不會發生變化。 但是那些參與核子對的少數夸克，它們的行為發生瞭如此巨大的變化，以至於它們扭曲了任何實驗中的平均結果。 如此多的夸克擠壓在如此小的空間中，會引起一些劇烈的強力效應。 EMC 效應僅僅是少數異常現象的結果，而不是所有質子和中子行為改變的結果。
根據資料，該團隊推匯出一個數學函式，可以準確描述 EMC 效應在不同原子核之間的行為方式。
“他們[論文的作者]做出了預測，他們的預測或多或少得到了證實，”喬治華盛頓大學物理學家 Gerald Feldman 說，他為同一期《自然》雜誌撰寫了一篇隨附的“新聞與觀點”文章，但未參與該研究。
Feldman 告訴 Live Science，這強有力地證明了這種配對效應是 EMC 謎團的真正答案。
經過 35 年，粒子物理學家似乎已經解決了這個有太多糟糕解決方案的問題。 Hen 說，他和他的同事已經計劃了後續實驗，以更深入地探討這個問題，並揭示關於原子內部成對核子行為的新的未知真相。
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