Zderzenia STAR podważają kwarkowe modele protonu

Podczas zderzenia jąder atomowych z dostatecznie dużą energią kwarki, składniki protonów, rozpraszają się. Liczba barionowa, cecha przypisywana między innymi protonom i neutronom, nie może zniknąć — musi więc znaleźć się gdzieś indziej. W dwóch testach opublikowanych 13 sierpnia 2026 r. w „Science” zespół STAR, działający przy amerykańskim zderzaczu, stwierdził, że liczba barionowa nie przemieszcza się tak, jak przewidują modele wiążące ją z kwarkami wchodzącymi w skład jąder (Science). 6 października „Nature” uznało te wyniki za najmocniejszy dotąd dowód eksperymentalny, że może ją przenosić struktura pola gluonowego (Nature).

Bilans, który zawsze musi się zgadzać

Liczba barionowa działa jak bilans: musi się zgadzać nawet po gwałtownym zderzeniu. Proton i neutron mają wartość +1, antyproton −1, a każdy kwark jedną trzecią. Trzy kwarki budujące proton dają więc dokładnie +1 (Science). Przy tak prostym rachunku kwarki wydają się oczywistym nośnikiem tej cechy.

Kwarki trzymają się razem dzięki gluonom — cząstkom przenoszącym oddziaływanie silne — trochę jak trzy kulki spięte elastycznymi linkami. Pole gluonowe łączące kwarki protonu można sobie wyobrazić jako trzy nici schodzące się w jednym punkcie i tworzące kształt litery Y (Brookhaven).

Część teoretyków uważa, że liczba barionowa jest związana właśnie z tym punktem, zwanym węzłem, a nie z kwarkami na końcach nici. Jeśli mają rację, zderzenie mogłoby rozdzielić ich losy: liczba barionowa podążyłaby w jedną stronę, a kwarki, które nadleciały z jądrami, w drugą.

Ładunek jako znacznik

Rozróżnienie tych dwóch obrazów jest trudne, bo ramiona węzła zawsze kończą się na kwarkach. STAR to duża współpraca badawcza z udziałem kilku europejskich uniwersytetów (PubMed). Zespół użył ładunku elektrycznego jako znacznika: kwarki mają ładunek, gluony są obojętne.

Porównano zderzenia dwóch niemal bliźniaczych jąder. Ruten-96 i cyrkon-96 zawierają po 96 nukleonów, czyli protonów i neutronów, ale ruten ma 44 protony, a cyrkon 40. W 2018 r. STAR zarejestrował około 2 mld zderzeń każdego rodzaju (STAR). Łączna liczba barionów przed zderzeniem jest taka sama, różni się tylko ładunek. Dlatego rozbieżność między tym, dokąd docierają bariony, a tym, dokąd dociera ładunek, powinna być widoczna.

STAR zmierzył dwie różnice między tymi rodzajami zderzeń: zmianę liczby barionowej docierającej do ich centrum oraz zmianę ładunku, który tam trafia. Porównanie przeskalowano tak, by wynik wynosił dokładnie 1, gdyby liczba barionowa przemieszczała się wyłącznie wraz z kwarkami nadlatującymi z jądrami. W najbardziej czołowych zderzeniach zespół uzyskał 1,84 (STAR paper). Największe źródło niepewności stanowią neutrony, których detektor nie rejestruje i których liczbę trzeba było oszacować. Mimo to w centrum pojawiło się znacznie więcej barionów, niż sugerowałaby zmiana ładunku.

Drugie zderzenie wskazuje ten sam kierunek

Drugi test objął jądra złota i łagodniejszy typ zderzenia. STAR wybrał zdarzenia, w których foton, czyli cząstka światła, z jednego jądra uderzył w drugie. Następnie zmierzono, jak wzdłuż osi wiązki rozkłada się nadwyżka protonów nad antyprotonami. Standardowe symulacje takich zdarzeń przewidywały bardziej stromy rozkład, przesunięty dalej w kierunku ruchu. Zmierzony rozkład mieścił się w zakresie oczekiwanym, gdyby liczbę barionową przenosiły węzły (STAR paper). W tej próbie można było porównać z teorią tylko kształt rozkładu, nie bezwzględną liczbę protonów.

Fizycy spoza STAR zalecają ostrożność. Chun Shen powiedział „Science News”, że wyniki przemawiają za węzłami, ale nie są jeszcze rozstrzygającym dowodem. Zi-Wei Lin zwrócił uwagę, że sam węzeł jest połączeniem obejmującym kwarki, więc sformułowanie „gluony zamiast kwarków” idzie za daleko (Science News).

Dokładniejszy test może przynieść planowany Electron–Ion Collider. W recenzowanej propozycji z 2024 r. opisano porównanie tego, jak przemieszczają się liczba barionowa i ładunek, z użyciem tarcz rutenowych i cyrkonowych (EPJ C).

O istnieniu węzła wnioskuje się z pozostałości po zderzeniu; nikt nie zaobserwował go bezpośrednio. STAR stwierdził, że wyniki obu testów odbiegają od przewidywań modeli, w których liczba barionowa przemieszcza się wyłącznie wraz z kwarkami nadlatującymi z jądrami. Każde wyjaśnienie tego, jak proton zachowuje swoją tożsamość w zderzeniu, musi teraz uwzględnić te wyniki.