STARi katsed seavad kvargipõhised prootonimudelid proovile

Kui aatomituumad põrkuvad piisava energiaga, hajuvad nende prootonites olevad kvargid. Prootoni ja neutroni barüonarv on jääv suurus: see peab pärast kokkupõrget kusagil alles olema. 13. augustil 2026 ajakirjas Science avaldatud kahes katses leidis USA osakestepõrgutis tegutsev STARi teaduskoostöö, et barüonarv ei liigu nii, nagu ennustavad mudelid, mis seovad selle saabuvate kvarkidega (Science). 6. oktoobril nimetas Nature tööd seni tugevaimaks katsetõendiks selle kohta, et barüonarv võib liikuda hoopis koos gluonivälja struktuuriga (Nature).

Arvestus, mis peab alati klappima

Barüonarvu võib kujutleda arvestusena, mis peab pärast iga tehingut tasakaalu jääma, ükskõik kui äge kokkupõrge ka poleks. Prootoni või neutroni arvele läheb +1, antiprootoni omale −1 ja iga kvargi arvele 1/3. Prootoni kolm kvarki annavad kokku täpselt ühe (Science). Sellise arvestuse põhjal paistavad kvargid barüonarvu ilmselge kandjana.

Kvarke hoiavad koos gluonid, tugevat vastastikmõju kandvad osakesed. Seda võib ette kujutada nii, nagu hoiaksid kolm klaaskuuli koos elastsed nöörid. Prootoni kolme kvarki ühendavat gluonivälja võib pildina kujutada kolme haruna, mis kohtuvad ühes punktis, Y-tähe kujuliselt (Brookhaven).

Osa teoreetikuid arvab, et barüonarv kuulub hoopis sellesse kohtumispunkti ehk sõlme, mitte harude otstes olevatele kvarkidele. Kui neil on õigus, võib kokkupõrge saata barüonarvu ühes suunas ja algsed kvargid teises suunas.

Laeng kui jälg

Neid kaht mudelit on raske eristada, sest sõlme harud lõpevad alati kvarkidega. STAR on suur rahvusvaheline teaduskoostöö, kuhu kuulub mitu Euroopa ülikooli (PubMed). Teadlased kasutasid jäljena elektrilaengut: kvarkidel on laeng, gluonitel mitte.

Võrreldi kahe peaaegu ühesuguse aatomituuma kokkupõrkeid. Ruteenium-96 ja tsirkoonium-96 sisaldavad kumbki kokku 96 nukleoni ehk prootonit ja neutronit, kuid ruteeniumis on 44 ja tsirkooniumis 40 prootonit. STAR registreeris 2018. aastal kummagi tuumapaari kokkupõrkeid umbes kaks miljardit (STAR). Mõlemas katses oli algne barüonide arv sama, erines vaid laeng. Seega peaks barüonarvu ja laengu lõpp-punktide erinevus katsest välja tulema.

STAR mõõtis kahe kokkupõrketüübi puhul barüonarvu ja elektrilaengu erinevust kokkupõrke keskosas. Võrdlus skaleeriti nii, et tulemus oleks täpselt 1 juhul, kui barüonarv liiguks ainult koos saabuvate kvarkidega. Kõige tsentraalsemates kokkupõrgetes mõõtis STAR tulemuseks 1,84 (STARi artikkel). Suurima mõõtemääramatuse põhjustavad neutronid, mida detektor ei näe ja mille arvu tuli seetõttu hinnata. Ka seda arvestades jõudis kokkupõrke keskossa rohkem barüonarvu, kui elektrilaeng üksi seletaks.

Teine kokkupõrge viitas samale

Teises katses kasutas STAR kullatuumi ja teistsugust, leebemat tüüpi kokkupõrget. Meeskond valis välja sündmused, kus ühest tuumast pärit footon tabas teist, ning mõõtis prootonite ülekaalu antiprootonite ees piki kiire liikumissuunda. Tavapärased kokkupõrkesimulatsioonid ennustasid järsemat ja liikumissuunas kaugemale ulatuvat jaotust. Mõõdetud jaotus jäi vahemikku, mida ennustatakse juhul, kui barüonarvu kannavad sõlmed (STARi artikkel). Selle valimi puhul sai teooriaga võrrelda jaotuse kuju, mitte prootonite absoluutarvu.

Teised füüsikud soovitavad järeldustega oodata. Chun Shen ütles väljaandele Science News, et tulemused toetavad sõlmede olemasolu, kuid ei anna veel „lõplikku tõendit“. Zi-Wei Lin märkis, et sõlm on ise kvarke ühendav struktuur, mistõttu väide „gluonid, mitte kvargid“ läheb liiga kaugele (Science News).

Selgema kontrolli võib pakkuda kavandatav Electron–Ion Collider. 2024. aasta eelretsenseeritud ettepanekus kirjeldati, kuidas võrrelda seal ruteeniumi ja tsirkooniumi sihtmärkide abil barüonarvu ja laengu liikumist (EPJ C).

Sõlme järeldatakse kokkupõrke jäänuste põhjal; keegi pole seda vahetult vaadelnud. STARi mõlema katse tulemused erinevad mudelite ennustustest, mille järgi liigub barüonarv ainult koos saabuvate kvarkidega. Iga mudel, mis kirjeldab prootoni barüonarvu säilimist kokkupõrkes, peab neid tulemusi nüüd selgitama.