STAR-törmäykset haastavat kvarkkipohjaiset protonimallit

Kun atomiytimet törmäävät riittävällä energialla, niiden protonien kvarkit siroavat. Protonin tai neutronin tunnistava fysikaalinen ominaisuus, baryoniluku, säilyy aina. Sen on siis päädyttävä johonkin. Yhdysvaltalaisen hiukkaskiihdyttimen STAR-yhteistyö havaitsi kahdessa tutkimuksessa, jotka julkaistiin Science-lehdessä 13. elokuuta 2026, ettei baryoniluku kulje samalla tavalla kuin saapuvien kvarkkien mukana kulkemiseen perustuvat mallit ennustavat (Science). Nature kuvasi 6. lokakuuta tulosta tähänastiseksi vahvimmaksi kokeelliseksi näytöksi siitä, että baryoniluku voi kulkea gluonikentän rakenteen mukana (Nature).

Tase, joka pysyy aina tasapainossa

Baryonilukua voi ajatella kirjanpitona, jonka on täsmättävä jokaisen tapahtuman jälkeen, vaikka törmäys olisi kuinka raju. Protonin tai neutronin luku on +1, antiprotonin −1 ja yksittäisen kvarkin kolmasosa. Siksi protonin kolme kvarkkia tuottavat yhteensä täsmälleen yhden (Science). Näin selkeän kirjanpidon perusteella kvarkit vaikuttavat luontevilta baryoniluvun kantajilta.

Gluonit pitävät kvarkit yhdessä ja välittävät vahvaa vuorovaikutusta. Niitä voi verrata joustaviin nauhoihin, jotka sitovat kolme kuulaa yhteen. Protonin kolmea kvarkkia yhdistävän gluonikentän voi puolestaan hahmottaa kolmena säikeenä, jotka kohtaavat yhdessä pisteessä Y-kirjaimen tavoin (Brookhaven).

Osa teoreetikoista katsoo, että baryoniluku kuuluu tähän kohtaamispisteeseen eli liitokseen, ei säikeiden päissä oleville kvarkeille. Jos näin on, törmäys voi kuljettaa baryoniluvun yhteen suuntaan ja alkuperäiset kvarkit toiseen.

Sähkövaraus jäljittimenä

Näitä kahta selitystä on vaikea erottaa, koska liitoksen haarat päättyvät aina kvarkkeihin. STAR on suuri tutkimusyhteistyö, johon kuuluu useita eurooppalaisia yliopistoja (PubMed). Se käytti jäljittimenä sähkövarausta: kvarkeilla on varaus, gluoneilla ei.

Tutkimusryhmä vertasi kahta lähes samanlaista atomiydintä. Rutenium-96:ssa ja zirkonium-96:ssa on kummassakin yhteensä 96 nukleonia eli protonia ja neutronia, mutta ruteniumissa protoneja on 44 ja zirkoniumissa 40. STAR tallensi vuonna 2018 noin kaksi miljardia törmäystä kummastakin (STAR). Törmäyksiin tuleva baryoniluku on sama, mutta sähkövaraus eroaa. Baryoniluvun ja varauksen päätymisessä eri alueille pitäisi siis näkyä ero.

STAR mittasi, kuinka paljon kahden törmäystyypin välillä erosi törmäyksen keskialueelle päätyvä baryoniluku ja sinne saapuva sähkövaraus. Vertailu skaalattiin niin, että tulos olisi täsmälleen 1, jos baryoniluku kulkisi vain saapuvien kvarkkien mukana. Suorimmissa törmäyksissä STAR mittasi arvon 1,84 (STAR paper). Suurin epävarmuus liittyy neutroneihin, joita ilmaisin ei havaitse ja joiden määrä ryhmän piti arvioida. Silti keskialueelle päätyi paljon enemmän baryonilukua kuin sähkövaraus selittää.

Toinen törmäys viittaa samaan suuntaan

Toisessa kokeessa käytettiin kultaytimiä ja lievempää törmäystä. STAR valitsi tapahtumat, joissa toisesta ytimestä lähtenyt fotoni osui toiseen ytimeen. Sen jälkeen ryhmä mittasi protonien ja antiprotonien erotuksen jakautumista hiukkassuihkun suunnassa. Tavanomaiset tapahtumasimulaatiot ennustivat jyrkempää jakaumaa, joka painottuisi enemmän kulkusuuntaan. Mitattu jakauma vastasi sitä vaihteluväliä, jota liitosten ennustetaan tuottavan (STAR paper). Tässä aineistossa teoriaan voitiin verrata vain jakauman muotoa, ei protonien absoluuttista määrää.

Muut fyysikot kehottavat varovaisuuteen. Chun Shen sanoi Science Newsille, että tulokset tukevat liitoksia mutta eivät vielä ole ”ratkaiseva todiste”. Zi-Wei Lin huomautti, että liitos on itsessään kvarkeihin liittyvä yhteys. Siksi puhe ”gluoneista kvarkkien sijaan” menee liian pitkälle (Science News).

Tarkempi testi voi tulla suunnitellussa Electron–Ion Colliderissa. Vuonna 2024 vertaisarvioidussa ehdotuksessa esitettiin, että siellä verrattaisiin baryoniluvun ja sähkövarauksen kulkua rutenium- ja zirkoniumkohteissa (EPJ C).

Liitoksen olemassaolo päätellään törmäyksissä syntyvistä hiukkasista, eikä sitä ole havaittu suoraan. STAR havaitsi, että molemmat kokeet poikkeavat malleista, joissa baryoniluku kulkee vain saapuvien kvarkkien mukana. Protonin identiteetin säilymistä törmäyksessä kuvaavan selityksen on otettava tämä tulos huomioon.