Το STAR αμφισβητεί μοντέλα πρωτονίου μόνο με κουάρκ

Όταν δύο ατομικοί πυρήνες συγκρούονται με αρκετή ενέργεια, τα κουάρκ στο εσωτερικό των πρωτονίων τους σκεδάζονται. Η ιδιότητα που χαρακτηρίζει τα πρωτόνια και τα νετρόνια ως βαρυόνια λέγεται βαρυονικός αριθμός· δεν μπορεί να χαθεί και πρέπει να μεταφερθεί κάπου. Σε δύο δοκιμές που δημοσιεύθηκαν στις 13 Αυγούστου 2026 στο Science, η συνεργασία STAR, σε επιταχυντή στις ΗΠΑ, διαπίστωσε ότι ο βαρυονικός αριθμός δεν μεταφέρεται όπως προβλέπουν τα μοντέλα που τον συνδέουν με τα αρχικά κουάρκ. Στις 6 Οκτωβρίου, το Nature χαρακτήρισε την εργασία την ισχυρότερη έως σήμερα πειραματική ένδειξη ότι ο αριθμός μπορεί να μεταφέρεται από μια δομή στο πεδίο των γκλουονίων.

Το ισοζύγιο που πρέπει πάντα να κλείνει

Σκεφτείτε τον βαρυονικό αριθμό σαν ένα ισοζύγιο που πρέπει να κλείνει μετά από κάθε συναλλαγή, όσο βίαιη κι αν είναι. Ένα πρωτόνιο ή νετρόνιο έχει τιμή +1, ένα αντιπρωτόνιο −1 και κάθε κουάρκ ένα τρίτο, οπότε τα τρία βασικά κουάρκ του πρωτονίου αθροίζονται ακριβώς σε μία μονάδα (Science). Με τόσο καθαρή λογιστική, τα κουάρκ μοιάζουν αυτονόητοι φορείς αυτού του χαρακτηρισμού.

Τα κουάρκ συγκρατούνται από τα γκλουόνια, τα σωματίδια που μεταφέρουν την ισχυρή αλληλεπίδραση, όπως τρία μάρμαρα θα μπορούσαν να ενώνονται με ελαστικά κορδόνια. Το πεδίο των γκλουονίων που συνδέει τα τρία κουάρκ ενός πρωτονίου μπορεί να παρασταθεί σαν τρία νήματα που συναντώνται σε ένα σημείο, σχηματίζοντας ένα Υ (Brookhaven).

Ορισμένοι θεωρητικοί υποστηρίζουν ότι ο βαρυονικός αριθμός ανήκει σε αυτό το σημείο συνάντησης, τον λεγόμενο κόμβο, και όχι στα κουάρκ που βρίσκονται στα άκρα των νημάτων. Αν έχουν δίκιο, μια σύγκρουση μπορεί να στείλει τον αριθμό προς μία κατεύθυνση και τα αρχικά κουάρκ προς άλλη.

Το ηλεκτρικό φορτίο ως ιχνηθέτης

Οι δύο εκδοχές δύσκολα ξεχωρίζουν, αφού οι βραχίονες του κόμβου καταλήγουν πάντοτε σε κουάρκ. Η συνεργασία STAR, στην οποία συμμετέχουν αρκετά ευρωπαϊκά πανεπιστήμια, χρησιμοποίησε το ηλεκτρικό φορτίο ως ιχνηθέτη: τα κουάρκ έχουν φορτίο, ενώ τα γκλουόνια όχι (PubMed).

Η ομάδα συνέκρινε συγκρούσεις δύο σχεδόν όμοιων πυρήνων, του ρουθηνίου-96 και του ζιρκονίου-96. Καθένας περιέχει συνολικά 96 νουκλεόνια, δηλαδή πρωτόνια και νετρόνια, αλλά το ρουθήνιο έχει 44 πρωτόνια και το ζιρκόνιο 40. Το 2018, η STAR κατέγραψε περίπου δύο δισεκατομμύρια συγκρούσεις για κάθε στοιχείο (STAR). Ο αρχικός βαρυονικός αριθμός είναι ίδιος και στις δύο περιπτώσεις, ενώ διαφέρει μόνο το φορτίο, οπότε θα φανεί αν τα βαρυόνια και το φορτίο καταλήγουν σε διαφορετικά σημεία.

Στη συνέχεια, η STAR μέτρησε δύο διαφορές ανάμεσα στους τύπους συγκρούσεων: τη μεταβολή στον βαρυονικό αριθμό που έφτανε στο κέντρο της σύγκρουσης και τη μεταβολή στο φορτίο που κατέληγε εκεί. Κλιμάκωσε τη σύγκριση έτσι ώστε, αν ο βαρυονικός αριθμός μεταφερόταν μόνο μαζί με τα αρχικά κουάρκ, το αποτέλεσμα να ήταν ακριβώς 1. Στις πιο μετωπικές συγκρούσεις, η μέτρηση έδωσε 1,84 (μελέτη της STAR). Η μεγαλύτερη αβεβαιότητα προέρχεται από τα νετρόνια, τα οποία ο ανιχνευτής δεν μπορεί να δει και των οποίων τον αριθμό η ομάδα χρειάστηκε να εκτιμήσει. Παρά την αβεβαιότητα, στο κέντρο έφτασε πολύ περισσότερος βαρυονικός αριθμός απ’ όσο θα εξηγούσε το φορτίο.

Μια δεύτερη σύγκρουση δείχνει προς την ίδια κατεύθυνση

Η δεύτερη δοκιμή χρησιμοποίησε πυρήνες χρυσού και μια ηπιότερη μορφή σύγκρουσης. Η STAR απομόνωσε συμβάντα στα οποία ένα φωτόνιο από τον έναν πυρήνα χτύπησε τον άλλο και μέτρησε πώς κατανεμόταν κατά μήκος της δέσμης το πλεόνασμα πρωτονίων έναντι αντιπρωτονίων. Οι συνήθεις προσομοιώσεις συμβάντων προέβλεπαν πιο απότομη κατανομή, μετατοπισμένη περισσότερο προς την κατεύθυνση της κίνησης. Η παρατηρούμενη εξάπλωση συμφωνούσε με το εύρος που αναμένεται αν οι κόμβοι μεταφέρουν τον βαρυονικό αριθμό (μελέτη της STAR). Το δείγμα αυτό επέτρεψε τη σύγκριση με τη θεωρία μόνο ως προς το σχήμα της κατανομής, όχι ως προς τον απόλυτο αριθμό των πρωτονίων.

Φυσικοί εκτός της ομάδας ζητούν επιφύλαξη. Ο Τσουν Σεν δήλωσε στο Science News ότι τα αποτελέσματα ενισχύουν την εκδοχή των κόμβων, χωρίς όμως να αποτελούν ακόμη «αδιάσειστη απόδειξη». Ο Ζι-Γουέι Λιν επισήμανε ότι ο κόμβος είναι ο ίδιος μια σύνδεση που περιλαμβάνει κουάρκ, άρα η διατύπωση «γκλουόνια αντί για κουάρκ» υπερβάλλει.

Πιο καθαρή δοκιμή ίσως προσφέρει ο σχεδιαζόμενος Electron–Ion Collider. Επιστημονική πρόταση του 2024, δημοσιευμένη κατόπιν αξιολόγησης από ομοτίμους, περιέγραψε πώς θα μπορούσε εκεί να συγκριθεί η μεταφορά βαρυονικού αριθμού και φορτίου, με στόχους από ρουθήνιο και ζιρκόνιο (EPJ C).

Ο κόμβος συνάγεται από τα προϊόντα της σύγκρουσης και κανείς δεν τον έχει παρατηρήσει άμεσα. Αυτό που έδειξαν οι δύο μετρήσεις της STAR είναι ότι και οι δύο αποκλίνουν από τα μοντέλα στα οποία ο βαρυονικός αριθμός μεταφέρεται αποκλειστικά μαζί με τα αρχικά κουάρκ. Κάθε εξήγηση για το πώς το πρωτόνιο διατηρεί την ταυτότητά του μέσα σε μια σύγκρουση πρέπει πλέον να λάβει υπόψη αυτή την απόκλιση.