STAR оспорва моделите на протона само с кварки

Когато две атомни ядра се сблъскат с достатъчно висока енергия, кварките в протоните им се разсейват. Барионното число — величина, равна на +1 за протон и неутрон — не може да изчезне; при сблъсъка то трябва да бъде пренесено от някакъв носител. В два теста, публикувани в Science на 13 август 2026 г., STAR Collaboration установи, че барионното число не се пренася по начина, предсказан от моделите, които го свързват с кварките, идващи от сблъскващите се ядра (Science). На 6 октомври Nature определи резултатите като най-силното досега експериментално доказателство, че барионното число може да се пренася и със структура в глуонното поле (Nature).

Сметка, която винаги трябва да излиза

Барионното число може да се мисли като сметка, която трябва да излиза след всяко взаимодействие, колкото и бурно да е то. Протонът и неутронът имат по +1, антипротонът — −1, а всеки кварк — 1/3. Така трите валентни кварка в протона дават точно единица (Science). При такава ясна сметка кварките изглеждат очевидните носители на този „етикет“.

Глуоните, частиците, които пренасят силното взаимодействие, държат кварките заедно — приблизително както ластици биха държали три топчета. Полето на глуоните между трите кварка на протона може да се представи като три нишки, срещащи се в една точка и образуващи буквата Y (Brookhaven).

Някои теоретици смятат, че барионното число принадлежи на тази точка на срещане, наречена възел, а не на кварките в краищата на нишките. Ако са прави, сблъсъкът може да изпрати барионното число в една посока, а първоначалните кварки — в друга.

Електричният заряд като маркер

Трудно е двете обяснения да се разграничат, защото разклоненията на възела винаги завършват при кварки. STAR е голямо изследователско обединение, в което участват няколко европейски университета (PubMed). То използва електричния заряд като маркер: кварките го носят, а глуоните — не.

Екипът сравни сблъсъци на две почти еднакви ядра: рутений-96 и цирконий-96. И двете съдържат общо 96 нуклона — протони и неутрони, но рутеният има 44 протона, а цирконият — 40. През 2018 г. STAR регистрира около 2 млрд. сблъсъка с всяко от двете ядра (STAR). Началният брой бариони е еднакъв, а се различава само зарядът; така трябва да проличи всяко разминаване между местата, където след сблъсъка попадат барионите и зарядът.

След това STAR измери две разлики между видовете сблъсъци: промяната в броя на барионите, достигнали центъра, и промяната в заряда, стигнал там. Екипът нормализира съпоставката така, че при пренос на барионното число само с първоначалните кварки резултатът да е точно 1. При най-челните сблъсъци STAR измери 1,84 (докладът на STAR). Най-голямата неопределеност идва от неутроните, които детекторът не регистрира и които екипът трябва да оцени. Въпреки това до центъра е достигнало значително повече барионно число, отколкото би обяснил преносът, проследен чрез заряда.

Втори сблъсък сочи в същата посока

Вторият тест използва златни ядра и по-лек сблъсък. STAR отдели събития, при които фотон от едното ядро е ударил другото, а след това измери как излишъкът на протоните над антипротоните се разпределя по оста на снопа. Стандартните симулации предсказваха по-стръмно разпределение, изместено по-напред по посока на движението. Измереното съвпадна с очаквания диапазон при хипотезата, че възелът носи барионното число (докладът на STAR). Тази извадка позволяваше сравнение на формата на разпределението с теорията, но не и на абсолютния брой протони.

Физици извън STAR призовават към предпазливост. Чун Шън казва пред Science News, че резултатите подкрепят хипотезата за възлите, но още не са „решаващо доказателство“. Зи-Уей Лин отбелязва, че самият възел е връзка, в която участват кварки, затова изразът „глуони вместо кварки“ преувеличава какво показват данните (Science News).

По-категоричен тест може да дойде от планирания Electron–Ion Collider. Рецензирано предложение от 2024 г. описва сравнение на преноса на барионно число и заряд с мишени от рутений и цирконий там (EPJ C).

Възелът се извежда от остатъците след сблъсъка и никой не го е наблюдавал пряко. STAR обаче установи, че и двата теста се отклоняват от моделите, според които барионното число се пренася единствено с първоначалните кварки. Всяко обяснение как протонът запазва идентичността си при сблъсък вече трябва да отчете това.