这是一个自 1983 年以来科学家们就已知的神秘事实：质子和中子在原子内部和在太空中自由漂浮时的行为不同。具体来说，构成质子和中子的亚原子粒子，称为夸克，一旦被限制在原子核中，速度就会大幅减慢。
物理学家真的不喜欢这样，因为中子无论在原子内部还是外部，都是中子。质子也是质子。 质子和中子（它们共同构成了称为“核子”的粒子类别）都由三个更小的粒子组成，称为夸克，它们通过强力结合在一起。
“当你把夸克放入原子核时，它们开始移动得更慢，这非常奇怪，”研究合著者、麻省理工学院物理学家 Or Hen 说。 这很奇怪，因为夸克之间强大的相互作用主要决定了它们的速度，而结合原子核的力（也作用于原子核内的夸克）本应非常弱，Hen 补充道。
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而且没有其他已知的力应该如此强烈地改变原子核中夸克的行为。 然而，这种效应仍然存在：粒子物理学家称之为 EMC 效应，以发现它的欧洲μ子合作组织 (European Muon Collaboration) 的名字命名。 直到最近，科学家们还不确定是什么原因造成的。 [物理学中最大的未解之谜]
原子核中的两个粒子通常被大约 800 万电子伏特 (8 MeV) 的力拉在一起，这是粒子能量的度量单位。 质子或中子中的夸克通过大约 1,000 MeV 结合在一起。 因此，原子核相对温和的相互作用会极大地影响夸克内部强大的相互作用，这似乎不合理，Hen 告诉 Live Science。
“8 和 1,000 相比算什么呢？” 他说。
但是 EMC 效应看起来不像来自外力的轻微推动。 虽然它因原子核的种类而异，“但它不像百分之零点五。 一旦你足够有创意地设计一个实验来寻找它，这种效应就会从数据中跳出来，”Hen 说。
根据所涉及的原子核，核子（这是其速度的函数）的表观大小可能会改变 10% 到 20%。 例如，在金原子核中，质子和中子比它们自由漂浮时小 20%。
理论家们提出了许多不同的模型来解释这里发生的事情，Hen 说。
“我的一个朋友开玩笑说，EMC 代表‘每个人的模型都很酷’，因为每个模型似乎都可以解释它，”他说。
但是随着时间的推移，物理学家做了更多的实验，测试了这些不同的模型，一个接一个地被否定了。
“没有人可以解释所有的数据，我们留下了一个巨大的谜题。 我们现在有很多数据，测量了夸克在各种不同原子核内部的运动方式，但我们无法解释发生了什么，”他说。
Hen 和他的同事没有试图一次解释所有谜题，而是决定只研究中子和质子相互作用的一个特殊情况。
在大多数情况下，原子核中的质子和中子彼此不重叠，而是相互尊重彼此的边界——即使它们实际上只是束缚夸克的系统。 但是有时，核子会在现有原子核内连接在一起，并开始短暂地、物理地相互重叠，成为科学家所说的“相关对”。 在任何时候，原子核中大约 20% 的核子以这种方式重叠。
当这种情况发生时，大量的能量在夸克之间流动，从根本上改变了它们的束缚结构和行为——这种现象是由强力引起的。 在 2 月 20 日发表在《自然》杂志上的一篇论文中，研究人员认为，这种能量流动恰好解释了 EMC 效应。 [粒子物理学的标准模型]
该团队用电子轰击了许多不同类型的原子核，发现这些核子对与 EMC 效应之间存在直接关系。
他们的数据强烈表明，Hen 说，大多数核子中的夸克在进入原子核时根本不会发生变化。 但是那些参与核子对的少数夸克，它们的行为发生了如此巨大的变化，以至于它们扭曲了任何实验中的平均结果。 如此多的夸克挤压在如此小的空间中，会引起一些剧烈的强力效应。 EMC 效应仅仅是少数异常现象的结果，而不是所有质子和中子行为改变的结果。
根据数据，该团队推导出一个数学函数，可以准确描述 EMC 效应在不同原子核之间的行为方式。
“他们[论文的作者]做出了预测，他们的预测或多或少得到了证实，”乔治华盛顿大学物理学家 Gerald Feldman 说，他为同一期《自然》杂志撰写了一篇随附的“新闻与观点”文章，但未参与该研究。
Feldman 告诉 Live Science，这强有力地证明了这种配对效应是 EMC 谜团的真正答案。
经过 35 年，粒子物理学家似乎已经解决了这个有太多糟糕解决方案的问题。 Hen 说，他和他的同事已经计划了后续实验，以更深入地探讨这个问题，并揭示关于原子内部成对核子行为的新的未知真相。
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