A STAR mérései eltérnek a kvarkmodellek jóslataitól

Ha két atommag elég nagy energiával ütközik, a protonjaikban lévő kvarkok szétszóródnak. A proton és a neutron egyik meghatározó tulajdonságát jelölő barionszám megmarad, tehát nem tűnhet el: az ütközés után is valahol meg kell jelennie. Az amerikai részecskegyorsítón dolgozó STAR Collaboration két vizsgálatának eredménye 2026. augusztus 13-án jelent meg a Science-ben. A Nature október 6-án az eddigi legerősebb kísérleti bizonyítéknak nevezte az eredményeket arra, hogy a barionszám a gluonmező egy szerkezetéhez kötődve is haladhat.

Egy könyvelés, amelynek mindig stimmelnie kell

A barionszám olyan, mint egy főkönyv: minden folyamat után egyensúlyban kell lennie, bármilyen heves is az ütközés. Egy proton vagy neutron értéke +1, egy antiprotoné −1, minden kvarké pedig egyharmad, így a proton három alkotó kvarkja együtt pontosan egyet ad ki (Science). Ebből a szabályos könyvelésből úgy tűnik, a barionszám egyértelműen a kvarkokhoz tartozik.

A kvarkokat a gluonok tartják össze; ezek közvetítik az erős kölcsönhatást. A három kvarkot összekötő gluonmezőt úgy is elképzelhetjük, mintha három gumiszalag egyetlen pontban találkozna, Y alakban (Brookhaven).

Egyes elméleti fizikusok szerint a barionszám nem a szálak végén lévő kvarkokhoz, hanem a találkozási ponthoz, az úgynevezett csomóponthoz tartozik. Ha igazuk van, az ütközésben a barionszám és az eredeti kvarkok külön irányba haladhatnak.

Az elektromos töltés mint nyomjelző

A két magyarázatot nehéz megkülönböztetni, mert a csomópont ágai mindenképp kvarkokhoz futnak. A több európai egyetemet is magában foglaló STAR egy nagy nemzetközi együttműködés (PubMed). A kutatók az elektromos töltést használták nyomjelzőként, mivel a kvarkoknak van töltésük, a gluonoknak viszont nincs.

A STAR két, tömegszámában azonos atommag ütközéseit vetette össze: a ruténium-96 és a cirkónium-96 egyaránt 96 nukleont, vagyis protont és neutront tartalmaz, a ruténiumnak azonban 44, a cirkóniumnak csak 40 protonja van. A STAR 2018-ban mindkét izotóppal mintegy kétmilliárd ütközést rögzített (STAR). Mivel az ütközésbe vitt barionszám azonos, és csak a töltés tér el, a végállapotban láthatóvá válhat, ha a kettő másként oszlik el.

A STAR ezután összevetette, mennyivel változik a két ütközéstípusban a középpontba jutó barionszám, illetve az odaérkező töltés mennyisége. A viszonyítási értéket úgy választották meg, hogy az eredmény pontosan 1 legyen, ha a barionszám kizárólag a beérkező kvarkokkal együtt mozog. A legközpontibb ütközésekben a STAR 1,84-et mért (STAR-tanulmány). Az érték legnagyobb bizonytalansága a neutronok becsléséből ered: a detektor nem érzékeli őket, ezért a kutatóknak meg kellett becsülniük a számukat. Az eredmény így is azt mutatta, hogy a középpontba jutó barionszám jóval meghaladta azt, amit a töltéskülönbség megmagyaráz.

Egy másik ütközés is ugyanerre utal

A második vizsgálatban aranyatommagokat ütköztettek, egy enyhébb típusú ütközésben. A STAR azokat az eseményeket választotta ki, amelyekben az egyik atommagból érkező foton a másiknak ütközött, majd megmérte, hogyan oszlik el a protonok antiprotonok feletti többlete a nyaláb tengelye mentén. A szokásos eseményszimulációk meredekebb, a nyaláb haladási irányába jobban eltolódó eloszlást jósoltak. A mért eloszlás beleillett abba a tartományba, amelyet akkor várnak, ha a barionszámot csomópontok hordozzák (STAR-tanulmány). Ebből a mintából csak az eloszlás alakját lehetett összevetni az elmélettel, a protonok abszolút számát nem.

A vizsgálatban részt nem vevő fizikusok óvatosságra intenek. Chun Shen a Science Newsnak azt mondta, hogy az eredmények a csomópontok magyarázatát erősítik, de még nem jelentenek perdöntő bizonyítékot; Zi-Wei Lin pedig arra figyelmeztetett, hogy maga a csomópont is kvarkokhoz kapcsolódó szerkezet, ezért a „kvarkok helyett gluonok” megfogalmazás túlzó (Science News).

Pontosabb próbát kínálhat a tervezett Electron–Ion Collider. Egy 2024-es, szakmailag lektorált javaslat azt vázolta, hogyan lehetne ott a barionszám és a töltés terjedését ruténium- és cirkónium-atommagokat céltárgyként használva összevetni (EPJ C).

A csomópont létezésére az ütközés törmelékéből következtetnek, közvetlenül senki sem figyelte meg. A STAR viszont mindkét vizsgálatban olyan eredményt mért, amely eltér azoktól a modellektől, amelyek szerint a barionszám kizárólag a beérkező kvarkokkal együtt mozog. A proton ütközés közbeni azonosságát magyarázó modelleknek ezt az eltérést is meg kell indokolniuk.