STAR sadursmes apšauba tikai kvarkos balstītus protonu modeļus

Kad divi atomu kodoli saduras tik spēcīgi, ka izkliedējas to protonos esošie kvarki, barionu skaitlis — īpašība, kas raksturo daļiņu kā protonu vai neitronu — nevar pazust. Sadursmē tam kaut kur jānonāk. Divos pētījumos, kas 2026. gada 13. augustā publicēti žurnālā Science, STAR sadarbības pētnieki ASV daļiņu paātrinātājā konstatēja: barionu skaits nepārvietojas tā, kā paredz modeļi, kuros tas saistīts ar sākotnējiem kvarkiem. 6. oktobrī Nature šo darbu raksturoja kā līdz šim spēcīgāko eksperimentālo pierādījumu tam, ka barionu skaitu var nest arī gluonu lauka struktūra.

Bilance, kurai vienmēr jāsakrīt

Barionu skaitli var iztēloties kā bilanci, kurai jāsakrīt pēc katra darījuma, lai cik spēcīga būtu sadursme. Protonam vai neitronam tas ir +1, antiprotonam −1, bet katram kvarkam — viena trešdaļa, tāpēc protona trīs pamatkvarku summa ir tieši viens (Science). Šāda uzskaite liek domāt, ka šo īpašību nes kvarki.

Kvarkus kopā satur gluoni — daļiņas, kas pārnes stipro mijiedarbību. To var iztēloties kā elastīgas saites, kas satur kopā trīs lodītes. Gluonu lauku, kas savieno protona trīs kvarkus, var attēlot kā trīs pavedienus, kuri satiekas vienā punktā un veido burtam Y līdzīgu formu (Brookhaven).

Daļa teorētiķu uzskata, ka barionu skaits pieder šim satekpunktam jeb mezglam, nevis kvarkiem pavedienu galos. Ja tā ir, sadursmē barionu skaits varētu aizvirzīties vienā virzienā, bet sākotnējie kvarki — citā.

Lādiņš kā marķieris

Atšķirt šos skaidrojumus ir grūti, jo mezgla zari vienmēr beidzas pie kvarkiem. STAR ir liela pētnieku sadarbība, kurā piedalās vairākas Eiropas universitātes (PubMed). Tā par marķieri izmantoja elektrisko lādiņu: kvarkiem tas ir, bet gluoniem nav.

Pētnieki salīdzināja divu gandrīz vienādu atomu kodolu sadursmes. Rutēnija-96 un cirkonija-96 kodolos ir pa 96 nukleoniem — protoniem un neitroniem —, bet rutēnijā ir 44 protoni, savukārt cirkonijā — 40. 2018. gadā STAR reģistrēja ap diviem miljardiem katra veida sadursmju (STAR). Sākotnējais barionu skaits abos gadījumos ir vienāds, bet lādiņš atšķiras, tāpēc būtu jāparādās atšķirībai starp to, kur nonāk barionu skaits un kur — lādiņš.

Pēc tam STAR izmērīja divas atšķirības starp abiem sadursmju veidiem: kā mainās barionu skaits, kas nonāk sadursmes centrā, un kā mainās tur nonākušais lādiņš. Salīdzinājumu izteica tā, lai rezultāts būtu tieši 1, ja barionu skaits pārvietotos tikai kopā ar sākotnējiem kvarkiem. Viscentrālākajās sadursmēs STAR izmērīja 1,84 (STAR pētījums). Lielāko nenoteiktību rada neitroni, kurus detektors nespēj uztvert, tāpēc to skaits bija jāaprēķina. Tomēr sadursmes centrā nonākušais barionu skaits ievērojami pārsniedza to, ko varētu izskaidrot lādiņa mērījumi.

Otrs tests rāda to pašu

Otrajā testā izmantoja zelta kodolus un maigāka veida sadursmi. STAR atlasīja notikumus, kuros no viena kodola nācis gaismas kvants jeb fotons trāpīja otram, un mērīja, kā gar kūļa kustības asi sadalās protonu un antiprotonu skaita starpība. Standarta sadursmju simulācijas paredzēja straujāku sadalījumu, kas vairāk nobīdīts daļiņu kustības virzienā. Mērītais sadalījums atbilda diapazonam, ko paredz modelis ar barionu skaita pārnesi caur mezgliem (STAR pētījums). Šajā izlasē ar teoriju varēja salīdzināt tikai sadalījuma formu, nevis absolūto protonu skaitu.

Citi fiziķi aicina būt piesardzīgiem. Čuns Šens žurnālam Science News sacīja, ka rezultāti dod priekšroku mezglu skaidrojumam, taču vēl nav „neapgāžams pierādījums”. Savukārt Dzivejs Lins norādīja, ka pats mezgls ir savienojums, kurā iesaistīti kvarki, tāpēc apgalvojums „gluoni, nevis kvarki” būtu pārspīlēts (Science News).

Precīzāku pārbaudi varētu nodrošināt plānotais Electron–Ion Collider. Recenzētā 2024. gada priekšlikumā izklāstīts, kā tur salīdzināt barionu skaita un lādiņa pārnesi, izmantojot rutēnija un cirkonija mērķus (EPJ C).

Mezglu secina pēc sadursmes produktiem, taču tieši to neviens nav novērojis. STAR abos testos konstatēja novirzes no modeļu prognozēm, kuros barionu skaits pārvietojas tikai kopā ar sākotnējiem kvarkiem. Jebkuram skaidrojumam par to, kā protons sadursmē saglabā savu identitāti, tagad šīs novirzes ir jāizskaidro.