STAR matavimai meta iššūkį protono kvarkų modeliui

Kai atomų branduoliai susiduria pakankama energija, jų protonuose esantys kvarkai išsisklaido. Barioninis skaičius – savybė, pagal kurią protonams ir neutronams priskiriama po +1 – negali išnykti, todėl susidūrimo metu turi būti išsaugotas. Dviejuose bandymuose, kurių rezultatus 2026 m. rugpjūčio 13 d. paskelbė žurnalas Science, STAR Collaboration tyrėjai JAV dalelių greitintuve nustatė, kad barioninis skaičius sklinda kitaip, nei prognozuoja modeliai, siejantys jį su pradiniais kvarkais. Spalio 6 d. Nature šį darbą pavadino stipriausiu iki šiol eksperimentiniu įrodymu, kad barioninį skaičių gali pernešti gliuonų lauko struktūra.

Balansas, kuris visada turi sutapti

Barioninį skaičių galima įsivaizduoti kaip apskaitos žymą, kurios balansas turi sutapti po kiekvieno proceso, kad ir koks smarkus būtų susidūrimas. Protonui arba neutronui priskiriama +1, antiprotonui – −1, o kiekvienam kvarkui – trečdalis, todėl trijų protoną sudarančių kvarkų indėlis lygus vienetui (Science). Tokia aiški apskaita leidžia manyti, kad šią žymą nešioja kvarkai.

Kvarkus kartu laiko gliuonai – stipriąją sąveiką pernešančios dalelės. Tai galima įsivaizduoti taip, tarsi tris rutuliukus jungtų elastinės virvelės. Gliuonų lauką, siejantį tris protono kvarkus, galima vaizduoti kaip tris gijas, susitinkančias viename taške ir sudarančias Y raidės formą (Brookhaven).

Kai kurių teoretikų teigimu, barioninis skaičius priskirtinas šiam susitikimo taškui, vadinamam jungtimi, o ne kvarkams gijų galuose. Jei ši prielaida teisinga, susidūrimo metu barioninis skaičius galėtų nukeliauti viena kryptimi, o pradiniai kvarkai – kita.

Elektros krūvis kaip žymeklis

Šiuos modelius atskirti nelengva, nes jungties gijos vis tiek baigiasi kvarkais. STAR Collaboration – didelė mokslininkų grupė, vienijanti ir kelių Europos universitetų tyrėjus (PubMed). Ji elektros krūvį naudojo kaip žymeklį: kvarkai jį turi, o gliuonai – ne.

Tyrėjai palygino dviejų beveik vienodų branduolių susidūrimus. Rutenio-96 ir cirkonio-96 branduoliai turi po 96 nukleonus – protonus ir neutronus, tačiau rutenio branduolyje yra 44 protonai, o cirkonio – 40. 2018 m. STAR užregistravo maždaug po du milijardus kiekvieno tipo susidūrimų (STAR). Pradinis barioninis skaičius abiem atvejais vienodas, skiriasi tik krūvis, todėl po susidūrimo turėtų išryškėti, jei barionų ir krūvio pasiskirstymas nesutampa.

Tuomet STAR išmatavo, kaip skyrėsi į susidūrimo centrą atkeliavęs barioninis skaičius ir elektros krūvis. Palyginimas buvo normalizuotas taip, kad rodiklis būtų lygus 1, jei barioninį skaičių perneštų tik pradiniai kvarkai. Centriškiausiuose susidūrimuose išmatuota reikšmė siekė 1,84 (STAR tyrimas). Didžiausią šio įverčio neapibrėžtumą lemia neutronai: detektorius jų nemato, todėl tyrėjams teko jų kiekį apskaičiuoti. Vis dėlto į centrą atkeliavęs barioninis skaičius gerokai viršijo tai, ką galima paaiškinti elektros krūviu.

Antrasis susidūrimas rodo tą pačią kryptį

Antrajame bandyme naudoti aukso branduoliai, o susidūrimas buvo švelnesnis. STAR atrinko įvykius, kai vieno branduolio šviesos dalelė – fotonas – smogė kitam, ir išmatavo protonų bei antiprotonų skaičių skirtumo pasiskirstymą išilgai pluošto krypties. Standartiniai įvykių modeliavimai prognozavo statesnį pasiskirstymą, labiau pasislinkusį judėjimo kryptimi. Išmatuotas pasiskirstymas atitiko intervalą, kurio tikimasi, jei barioninį skaičių perneša jungtys (STAR tyrimas). Šiame mėginyje su teorija buvo galima palyginti tik pasiskirstymo formą, o ne absoliutų protonų skaičių.

Kiti fizikai ragina vertinti rezultatus atsargiai. Čunas Šenas žurnalui Science News sakė, kad duomenys palankūs jungčių hipotezei, tačiau dar nėra galutinis įrodymas. Zi-Wei Linas atkreipė dėmesį, jog pati jungtis yra kvarkus apimantis ryšys, todėl teiginys „gliuonai, o ne kvarkai“ pernelyg supaprastina situaciją (Science News).

Tikslesnį bandymą galėtų suteikti planuojamas Electron–Ion Collider. 2024 m. recenzuotame pasiūlyme numatyta rutenio ir cirkonio taikiniuose palyginti, kaip sklinda barioninis skaičius ir elektros krūvis (EPJ C).

Jungtis nustatoma netiesiogiai, pagal susidūrimo produktus; tiesiogiai jos niekas nepastebėjo. STAR stebėjo, kad abiejų bandymų rezultatai nesutampa su modeliais, pagal kuriuos barioninį skaičių perneša tik pradiniai kvarkai. Bet kuris modelis, aiškinantis, kaip susidūrimo metu protonas išlaiko savo tapatybę, dabar turi paaiškinti šį neatitikimą.