STAR-Daten fordern reine Quarkmodelle heraus

Bei ausreichend heftigen Zusammenstößen zweier Atomkerne stoßen die Quarks in ihren Protonen miteinander. Die Baryonenzahl, die Protonen und Neutronen kennzeichnet, kann nicht verschwinden; sie muss also irgendwohin gelangen. In zwei am 13. August 2026 in Science veröffentlichten Tests stellte die STAR Collaboration an einem US-Beschleuniger fest, dass sie sich anders verteilt, als Modelle vorhersagen, die sie an die einfliegenden Quarks binden (Science). Nature wertete die Arbeit am 6. Oktober als bislang stärksten experimentellen Beleg dafür, dass die Baryonenzahl stattdessen mit einer Struktur im Gluonfeld transportiert werden kann (Nature).

Eine Bilanz, die stets aufgeht

Die Baryonenzahl lässt sich als Bilanz verstehen, die auch nach einem noch so heftigen Vorgang ausgeglichen sein muss. Protonen und Neutronen zählen jeweils +1, Antiprotonen −1 und jedes Quark ein Drittel; die drei Quarks eines Protons ergeben damit genau eins (Science). Bei dieser klaren Zuordnung liegt es nahe, die Quarks als Träger des Merkmals anzusehen.

Gluonen, die Teilchen der starken Wechselwirkung, halten Quarks zusammen, ähnlich wie elastische Fäden drei Murmeln verbinden könnten. Das Gluonfeld, das die drei Quarks eines Protons verbindet, lässt sich als drei Stränge beschreiben, die sich in einem Punkt treffen, ähnlich dem Buchstaben Y (Brookhaven).

Einige Theoretiker vermuten, dass die Baryonenzahl an diesem Verbindungspunkt sitzt, der als Junction bezeichnet wird, und nicht an den Quarks an den Enden der Stränge. Trifft diese Annahme zu, könnten bei einer Kollision die Baryonenzahl in die eine und die ursprünglichen Quarks in eine andere Richtung gelangen.

Elektrische Ladung als Spur

Die beiden Vorstellungen lassen sich schwer unterscheiden, weil die Arme der Junction stets an Quarks enden. STAR, eine große Kollaboration mit Beteiligung mehrerer europäischer Universitäten (PubMed), nutzte deshalb die elektrische Ladung als Spur: Quarks tragen Ladung, Gluonen nicht.

Das Team verglich Zusammenstöße zweier fast gleicher Atomkerne. Ruthenium-96 und Zirkonium-96 enthalten beide insgesamt 96 Nukleonen, also Protonen und Neutronen; Ruthenium hat jedoch 44 Protonen, Zirkonium 40. 2018 zeichnete STAR rund zwei Milliarden Kollisionen jeder Sorte auf (STAR). Da die Zahl der Baryonen in beiden Fällen gleich ist und sich nur die Ladung unterscheidet, lässt sich eine Abweichung zwischen der Verteilung von Baryonenzahl und Ladung erkennen.

STAR ermittelte anschließend für beide Kollisionsarten die Differenz bei der Baryonenzahl, die das Zentrum erreichte, und die entsprechende Differenz bei der Ladung. Die Vergleichsgröße wurde so normiert, dass ein Wert von genau 1 herauskommen müsste, falls die Baryonenzahl ausschließlich mit den einfliegenden Quarks wandert. Bei den zentralsten Zusammenstößen maß STAR 1,84 (STAR paper). Die größte Unsicherheit dieses Werts geht auf Neutronen zurück, die der Detektor nicht erfassen kann und deren Zahl das Team deshalb schätzen musste. Dennoch gelangte deutlich mehr Baryonenzahl ins Zentrum, als sich durch die Ladung erklären ließe.

Ein zweiter Zusammenstoß weist in dieselbe Richtung

Der zweite Test untersuchte Goldkerne bei einer weniger heftigen Art der Kollision. STAR wählte Ereignisse aus, bei denen ein Photon, also ein Lichtteilchen, aus einem Kern auf den anderen traf, und maß anschließend, wie sich der Überschuss von Protonen gegenüber Antiprotonen entlang der Strahlachse verteilte.

Die üblichen Ereignissimulationen sagten ein steileres, weiter in Flugrichtung verschobenes Muster voraus. Die gemessene Verteilung entsprach eher dem Bereich, den Modelle mit Junctions erwarten (STAR paper). In dieser Stichprobe ließ sich mit der Theorie allerdings nur die Form der Verteilung vergleichen, nicht die absolute Protonenzahl.

Außenstehende Physiker mahnen zur Vorsicht. Chun Shen sagte Science News, die Ergebnisse sprächen für Junctions, seien aber noch keine „Smoking Gun“; Zi-Wei Lin gab zu bedenken, dass die Junction selbst eine Verbindung unter Beteiligung von Quarks sei, weshalb die Formulierung „Gluonen statt Quarks“ zu weit gehe (Science News).

Ein schärferer Test könnte am geplanten Electron–Ion Collider möglich werden. Ein 2024 fachbegutachteter Vorschlag sah vor, dort mit Ruthenium und Zirkonium als Targetmaterialien zu vergleichen, wie Baryonenzahl und Ladung transportiert werden (EPJ C).

Aus den Kollisionsprodukten wird auf die Junction geschlossen; direkt beobachtet hat sie bislang niemand. STAR hat jedoch in beiden Tests Abweichungen von Modellen gemessen, in denen die Baryonenzahl ausschließlich mit den einfliegenden Quarks wandert. Jede Erklärung dafür, wie ein Proton bei einer Kollision seine Identität bewahrt, muss diese Befunde nun berücksichtigen.