Srážky STAR zpochybňují kvarkový model protonu

Když se atomová jádra srazí s dostatečnou energií, rozptylují se kvarky uvnitř jejich protonů. Vlastnost, která vyjadřuje baryonovou povahu částice, se nazývá baryonové číslo. To se nemůže ztratit, musí se tedy zachovat a někam se přenést. Ve dvou testech zveřejněných 13. srpna 2026 v časopise Science zjistila spolupráce STAR na americkém urychlovači, že se baryonové číslo nepřenáší tak, jak předpovídají modely, které je spojují s kvarky přilétajících jader. Časopis Nature označil 6. října tuto práci za dosud nejsilnější experimentální důkaz, že baryonové číslo může putovat také se strukturou v gluonovém poli.

Účetní kniha, která se vždy vyrovná

Baryonové číslo si lze představit jako účetní knihu, která musí zůstat vyrovnaná po každé transakci, jakkoli prudké jsou otřesy. Proton nebo neutron má hodnotu +1, antiproton −1 a každý kvark jednu třetinu. Tři kvarky v protonu tak dohromady dávají přesně jedničku (Science). Při tak přehledném účtování se zdá přirozené připsat tuto vlastnost kvarkům.

Kvarky drží pohromadě gluony, částice přenášející silnou interakci, podobně jako tři kuličky spojují pružné šňůry. Gluonové pole mezi třemi kvarky protonu si lze představit jako tři vlákna sbíhající se v jednom bodě, ve tvaru písmene Y (Brookhaven).

Někteří teoretici tvrdí, že baryonové číslo patří právě tomuto místu, označovanému jako junction neboli uzel, a ne kvarkům na koncích vláken. Pokud mají pravdu, může se při srážce baryonové číslo vydat jedním směrem a původní kvarky jiným.

Náboj jako stopovací značka

Rozlišit mezi oběma představami je obtížné, protože ramena uzlu vždy končí u kvarků. Spolupráce STAR sdružuje také několik evropských univerzit (PubMed). Jako značku použila elektrický náboj: kvarky ho nesou, gluony nikoli.

Tým porovnal srážky dvou téměř totožných jader. Ruthenium-96 a zirconium-96 obsahují celkem 96 nukleonů, tedy protonů a neutronů, ruthenium má však 44 protonů a zirconium 40. V roce 2018 zaznamenala STAR zhruba dvě miliardy srážek každého z těchto jader (STAR). Počet baryonů před srážkou je v obou případech stejný, liší se jen elektrický náboj. Rozdíl mezi tím, kam se dostanou baryony a kam náboj, by se proto měl projevit.

STAR pak porovnala dva rozdíly mezi oběma typy srážek: změnu v počtu baryonů, které dorazily do středu srážky, a změnu v náboji, který tam dorazil. Poměr přepočítala tak, aby při přenosu baryonového čísla výhradně s přilétajícími kvarky vyšel přesně 1. U srážek, při nichž do sebe jádra narazila téměř čelně, naměřila STAR hodnotu 1,84 (studie STAR). Největší nejistotu do výsledku vnášejí neutrony, které detektor nedokáže zachytit a jejichž počet proto tým musel odhadnout. I tak se do středu dostalo podstatně více baryonového čísla, než kolik mohl vysvětlit elektrický náboj.

Druhá srážka ukazuje stejným směrem

Druhý test využil jádra zlata a mírnější typ srážky. STAR vybrala události, při nichž částice světla z jednoho jádra narazila do druhého, a pak měřila, jak se podél osy svazku rozložil přebytek protonů nad antiprotony. Běžné simulace událostí předpovídaly strmější rozložení, posunuté dál ve směru pohybu. Naměřené rozložení odpovídalo rozsahu očekávanému v případě, že baryonové číslo nesou uzly (studie STAR). Tento soubor dat umožnil porovnat s teorií pouze tvar rozložení, nikoli absolutní počet protonů.

Fyzici, kteří se na výzkumu nepodíleli, doporučují opatrnost. Chun Shen řekl Science News, že výsledky podporují výklad s uzly, zatím však nejde o „usvědčující důkaz“. Zi-Wei Lin upozornil, že samotný uzel je spojnicí zahrnující kvarky, takže mluvit o „gluonech místo kvarků“ je příliš zjednodušující (Science News).

Přesnější test by mohl nabídnout plánovaný urychlovač Electron–Ion Collider. Recenzovaný návrh z roku 2024 popisuje, jak tam porovnat přenos baryonového čísla a elektrického náboje pomocí terčů z ruthenia a zirkonia (EPJ C).

Existenci uzlu vědci vyvozují z částic vzniklých při srážce; přímo ho nikdo nepozoroval. STAR naměřila v obou testech výsledky odlišné od modelů, podle nichž putuje baryonové číslo výhradně s přilétajícími kvarky. Každé vysvětlení toho, jak si proton při srážce zachovává svou identitu, se s tím nyní musí vypořádat.