STAR-botsingen dagen protonmodellen met alleen quarks uit

Bij botsingen tussen atoomkernen met genoeg energie botsen ook de quarks in hun protonen op elkaar. Het baryongetal, de eigenschap die een deeltje als proton of neutron kenmerkt, kan niet verdwijnen: het moet ergens terechtkomen. In twee proeven die de STAR Collaboration op 13 augustus 2026 in Science publiceerde, zag de samenwerking bij een Amerikaanse deeltjesversneller dat baryongetal zich anders verplaatst dan modellen voorspellen waarin het aan de invallende quarks vastzit (Science). Op 6 oktober noemde Nature dit het sterkste experimentele bewijs tot nu toe dat baryongetal ook kan meereizen met een structuur in het gluonveld (Nature).

Een boekhouding die altijd klopt

Je kunt baryongetal zien als een boekhouding die ook na een botsing, hoe heftig ook, moet kloppen. Een proton of neutron telt als +1, een antiproton als −1 en elk quark als een derde; de drie quarks van een proton komen samen dus precies uit op één (Science). Zo bezien lijken quarks de logische dragers van dat getal.

Gluonen brengen de sterke kernkracht over en houden quarks bij elkaar, zoals elastieken drie knikkers kunnen vasthouden. Het gluonveld dat de drie quarks van een proton verbindt, kun je zien als drie draden die in één punt samenkomen, als de letter Y (Brookhaven).

Sommige theoretici denken dat baryongetal hoort bij dat samenkomstpunt, de zogeheten junction, en niet bij de quarks aan de uiteinden. Als dat klopt, kan een botsing het baryongetal de ene kant op sturen en de oorspronkelijke quarks de andere.

Elektrische lading als spoor

De twee verklaringen zijn lastig uit elkaar te houden, omdat de armen van de junction altijd eindigen bij quarks. STAR is een groot samenwerkingsverband waaraan ook verschillende Europese universiteiten deelnemen (PubMed). De onderzoekers gebruikten elektrische lading als spoor: quarks dragen lading, gluonen niet.

Het team vergeleek botsingen van twee bijna identieke atoomkernen. Ruthenium-96 en zirconium-96 tellen elk 96 nucleonen (protonen en neutronen), maar ruthenium bevat 44 protonen en zirconium 40. STAR registreerde in 2018 ongeveer twee miljard botsingen van elk type (STAR). De hoeveelheid baryongetal waarmee de kernen begonnen, is gelijk; alleen de lading verschilt. Daardoor zou zichtbaar moeten worden of baryonen en lading op verschillende plekken terechtkomen.

Vervolgens mat STAR twee verschillen tussen de botsingstypen: de verandering in het baryongetal dat het centrum van de botsing bereikte en de verandering in de elektrische lading daar. De vergelijking werd zo geschaald dat de uitkomst precies 1 zou zijn als baryongetal alleen met de invallende quarks meereisde. Bij de meest frontale botsingen mat STAR 1,84 (STAR paper). De grootste onzekerheid in dat getal komt door neutronen: de detector neemt ze niet waar, waardoor het team hun aantal moest schatten. Toch bereikte het centrum veel meer baryongetal dan het verschil in lading doet verwachten.

Een tweede botsing wijst dezelfde kant op

De tweede proef gebruikte goudkernen en een minder heftige botsing. STAR selecteerde gebeurtenissen waarin een foton uit de ene kern de andere raakte. Daarna mat het team hoe het overschot aan protonen ten opzichte van antiprotonen over de richting van de bundel was verdeeld. De gangbare simulaties van botsingen voorspelden een steiler verloop, verder in de vliegrichting. De gemeten verdeling viel binnen de bandbreedte die je verwacht als junctions baryongetal vervoeren (STAR paper). In deze steekproef kon alleen de vorm van de verdeling met de theorie worden vergeleken, niet het absolute aantal protonen.

Natuurkundigen van buiten het onderzoek vragen om terughoudendheid. Chun Shen zei tegen Science News dat de resultaten het idee van junctions ondersteunen, maar nog geen 'smoking gun' zijn. Zi-Wei Lin wees erop dat de junction zelf immers een verbinding is waarin quarks een rol spelen; de formulering 'gluonen in plaats van quarks' gaat daarom te ver (Science News).

Een scherpere toets kan volgen bij de geplande Electron–Ion Collider. Een voorstel uit 2024 dat door vakgenoten is beoordeeld, beschreef hoe onderzoekers daar met ruthenium- en zirconiumtargets kunnen vergelijken hoe baryongetal en elektrische lading zich verplaatsen (EPJ C).

De junction wordt afgeleid uit de deeltjes die na botsingen vrijkomen; niemand heeft haar rechtstreeks waargenomen. Wat STAR wel heeft vastgesteld, is dat beide proeven afwijken van modellen waarin baryongetal uitsluitend met de invallende quarks meereist. Elke verklaring voor de manier waarop een proton zijn identiteit in een botsing behoudt, moet dat voortaan kunnen verklaren.