Sudari STAR-a osporavaju kvarkovske modele protona

Kad se dvije atomske jezgre sudare dovoljno snažno, kvarkovi u njihovim protonima raspršuju se. Barionski broj, kvantno svojstvo koje protonima i neutronima daje vrijednost +1, ne može nestati, pa se mora prenijeti nekamo. U dvama pokusima objavljenima 13. kolovoza 2026. u časopisu Science, suradnja STAR na sudarivaču u SAD-u utvrdila je da se ne prenosi onako kako predviđaju modeli koji ga vežu uz kvarkove iz sudarajućih jezgara. Časopis Nature opisao je 6. listopada taj rad kao dosad najsnažniji eksperimentalni dokaz da se barionski broj može prenositi i sa strukturom u gluonskom polju.

Bilanca koja se uvijek mora poklapati

Barionski broj možemo zamisliti kao knjigu računa koja se mora poklapati nakon svake transakcije, ma koliko sudar bio silovit. Proton ili neutron vrijedi +1, antiproton −1, a svaki kvark trećinu, pa tri temeljna kvarka u protonu zajedno daju točno jedan (Science). Uz tako urednu bilancu prirodno je zaključiti da je barionski broj vezan uz kvarkove.

Kvarkove na okupu drže gluoni, čestice koje prenose jaku silu, kao što bi elastične niti mogle povezivati tri kuglice. Gluonsko polje koje povezuje tri kvarka u protonu može se zamisliti kao tri niti koje se sastaju u jednoj točki, poput slova Y (Brookhaven).

Neki teoretičari smatraju da barionski broj pripada toj točki, koja se naziva čvorište, a ne kvarkovima na krajevima niti. Ako su u pravu, sudar bi mogao poslati barionski broj jednim smjerom, a izvorne kvarkove drugim.

Naboj kao pokazatelj

Teško je razlikovati ta dva prikaza jer krakovi čvorišta uvijek završavaju na kvarkovima. Suradnja STAR okuplja velik broj istraživača, među njima i one s nekoliko europskih sveučilišta (PubMed). Tim se poslužio električnim nabojem kao pokazateljem: kvarkovi ga nose, a gluoni ne.

Usporedili su sudare dviju gotovo jednakih jezgara. Rutenij-96 i cirkonij-96 imaju po 96 nukleona, odnosno protona i neutrona, ali rutenij ima 44 protona, a cirkonij 40. Suradnja STAR zabilježila je 2018. oko dvije milijarde sudara svake vrste (STAR). Početni ukupni broj bariona jednak je, a razlikuje se samo naboj, pa bi se razlika u tome gdje završavaju barioni i električni naboj trebala moći uočiti.

STAR je izmjerio dvije razlike između tih vrsta sudara: promjenu broja bariona koji stižu do središta sudara i promjenu naboja koji ondje pristiže. Usporedbu je preračunao tako da bi rezultat bio točno 1 kad bi se barionski broj prenosio samo s kvarkovima iz sudarajućih jezgara. U sudarima u kojima su se jezgre gotovo izravno pogodile, izmjerena je vrijednost 1,84 (rad STAR-a). Najveći izvor nesigurnosti mjerenja jesu neutroni, koje detektor ne može vidjeti, pa ih je tim morao procijeniti. Unatoč tomu, do središta je stiglo znatno više bariona nego što bi se moglo zaključiti iz izmjerenog električnog naboja.

Drugi sudar upućuje na isti zaključak

U drugom testu STAR je upotrijebio jezgre zlata i blažu vrstu sudara. Izdvojio je događaje u kojima je čestica svjetlosti iz jedne jezgre udarila u drugu, a zatim izmjerio kako je višak protona nad antiprotonima raspoređen duž osi snopa. Standardne simulacije sudara predviđale su strmiji obrazac, pomaknut dalje u smjeru gibanja. Izmjerena raspodjela odgovarala je rasponu koji se očekuje ako barionski broj prenose čvorišta (rad STAR-a). U tom se uzorku s teorijom mogao usporediti samo oblik raspodjele, a ne apsolutni broj protona.

Fizičari koji nisu sudjelovali u radu pozivaju na oprez. Chun Shen rekao je za Science News da rezultati idu u prilog čvorištima, ali još nisu „konačan dokaz”. Zi-Wei Lin napomenuo je da je i samo čvorište veza koja uključuje kvarkove, pa tvrdnja da su to „gluoni umjesto kvarkova” preuveličava razliku.

Oštriji test mogao bi ponuditi planirani sudarač elektrona i iona Electron–Ion Collider. U recenziranom prijedlogu iz 2024. opisuje se usporedba kretanja barionskog broja i električnog naboja, uz uporabu meta od rutenija i cirkonija (EPJ C).

Čvorište se izvodi iz ostataka sudara; nitko ga nije izravno opazio. STAR je pokazao da oba testa daju rezultate koji odstupaju od modela prema kojima se barionski broj prenosi samo s kvarkovima iz sudarajućih jezgara. Svako objašnjenje toga kako proton zadržava svoj identitet tijekom sudara sada mora uzeti u obzir taj nalaz.