STAR finder baryontal uden for kvarkmodeller

Når to atomkerner støder sammen med tilstrækkelig kraft, spredes kvarkerne i deres protoner. Den fysiske størrelse, der kendetegner en partikel som en proton eller neutron, kaldes baryontallet. Det kan aldrig gå tabt, så det må ende et sted. I to forsøg offentliggjort i Science 13. august 2026 fandt STAR Collaboration ved en amerikansk kollider, at baryontallet ikke bevæger sig, som modeller, der knytter det til de indkommende kvarker, forudsiger (Science). 6. oktober kaldte Nature arbejdet det hidtil stærkeste eksperimentelle belæg for, at baryontallet i stedet kan følge en struktur i gluonfeltet (Nature).

Et regnskab, der altid stemmer

Tænk på baryontallet som et regnskab, der skal gå op efter hver transaktion, uanset hvor voldsom den er. En proton eller neutron tæller +1, en antiproton −1, og hver kvark tæller en tredjedel. Derfor summerer protonens tre kvarker præcis til én (Science). Med så enkelt et regnskab er det nærliggende at se kvarkerne som dem, der bærer mærket.

Kvarker holdes sammen af gluoner, partiklerne, der formidler den stærke kernekraft. Det kan sammenlignes med elastikker, der holder tre kugler sammen. Gluonfeltet mellem protonens tre kvarker kan tegnes som tre tråde, der mødes i ét punkt, ligesom bogstavet Y (Brookhaven).

Nogle teoretikere mener, at baryontallet hører til dette samlingspunkt, kaldet en junction, snarere end til kvarkerne for enden af trådene. Hvis de har ret, kan en kollision sende baryontallet én vej og de oprindelige kvarker en anden.

Brug af ladning som sporstof

Det er svært at skelne mellem de to forklaringer, fordi junctionens arme altid ender i kvarker. STAR er et stort samarbejde med deltagelse af flere europæiske universiteter (PubMed). Forskerne brugte elektrisk ladning som markør, fordi kvarker har ladning, mens gluoner er neutrale.

Holdet sammenlignede kollisioner mellem to næsten ens atomkerner. Ruthenium-96 og zirconium-96 indeholder begge 96 nukleoner, altså protoner og neutroner, men ruthenium har 44 protoner mod zirconiums 40. I 2018 registrerede STAR omkring to milliarder kollisioner af hver type (STAR). Det samlede baryontal før kollisionen er ens, mens ladningen er forskellig. Derfor bør en forskel på, hvor baryontallet og ladningen ender, kunne måles.

STAR målte derefter forskellen mellem de to kollisionstyper på to måder: ændringen i baryontallet, der nåede ind til kollisionens centrum, og ændringen i den ladning, der nåede dertil. Forskerne satte målene i forhold til hinanden, så resultatet ville være præcis 1, hvis baryontallet kun fulgte de indkommende kvarker. I de mest frontale kollisioner målte STAR 1,84 (STAR paper). Den største usikkerhed skyldes neutroner, som detektoren ikke kan se, og som holdet derfor måtte beregne. Alligevel nåede der langt mere baryontal frem til centrum, end ladningen kunne forklare.

En anden kollision peger samme vej

Det andet forsøg brugte guldatomer og en mildere type kollision. STAR udvalgte hændelser, hvor en lyspartikel fra den ene kerne ramte den anden, og målte derefter, hvordan overskuddet af protoner i forhold til antiprotoner fordelte sig langs stråleretningen. Standardmodellerne for hændelserne forudsagde en stejlere fordeling, forskudt længere i bevægelsesretningen. Den målte fordeling lå inden for det interval, modeller med junctions forudsiger (STAR paper). Datamaterialet gjorde det kun muligt at sammenligne fordelingens form med teorien, ikke det samlede antal protoner.

Fysikere uden for samarbejdet opfordrer til forsigtighed. Chun Shen sagde til Science News, at resultaterne taler for junctions, men endnu ikke er et »rygende gevær«. Zi-Wei Lin påpegede, at junctionen selv er en forbindelse mellem kvarker, så formuleringen »gluonernes frem for kvarkernes« overdriver forskellen (Science News).

En skarpere prøve kan komme fra den planlagte Electron–Ion Collider. Et fagfællebedømt forslag fra 2024 beskrev, hvordan man dér kan sammenligne baryontallets og ladningens bevægelse ved hjælp af ruthenium- og zirconiumkerner som mål (EPJ C).

Junctionen udledes af resterne efter kollisioner; ingen har observeret den direkte. STAR har til gengæld målt, at begge forsøg afviger fra modeller, hvor baryontallet kun følger de indkommende kvarker. Enhver forklaring på, hvordan en proton bevarer sin identitet i en kollision, må nu også kunne redegøre for det.