Ciocnirile STAR pun la încercare modelele cu quarci

Când două nuclee atomice se ciocnesc cu suficientă energie, quarcii din protonii lor se împrăștie. Numărul barionic — mărimea conservată care atribuie valoarea +1 protonilor și neutronilor — nu poate dispărea, așa că trebuie să ajungă undeva. În două teste publicate în Science pe 13 august 2026, colaborarea STAR, care lucrează la un accelerator de particule din SUA, a constatat că numărul barionic nu se deplasează așa cum prezic modelele care îl leagă de quarcii inițiali (Science). Pe 6 octombrie, Nature a numit rezultatele cea mai puternică dovadă experimentală de până acum că numărul barionic s-ar putea deplasa odată cu o structură a câmpului gluonic (Nature).

Un bilanț care trebuie să se închidă

Numărul barionic poate fi privit ca un bilanț care trebuie să se închidă după fiecare interacțiune, oricât de violentă. Un proton sau un neutron are valoarea +1, un antiproton −1, iar fiecare quarc are valoarea 1/3; cei trei quarci dintr-un proton însumează astfel exact +1 (Science). După un calcul atât de simplu, quarcii par purtătorii evidenți ai acestui număr.

Gluonii, particulele care transmit interacțiunea tare, țin quarcii laolaltă, cam cum ar lega trei bile niște corzi elastice. Câmpul gluonic care leagă cei trei quarci ai protonului poate fi reprezentat prin trei filamente care se întâlnesc într-un singur punct, în forma literei Y (Brookhaven).

Unii teoreticieni susțin că numărul barionic aparține acelui punct de întâlnire, numit joncțiune, și nu quarcilor de la capetele filamentelor. Dacă au dreptate, o coliziune ar putea trimite numărul barionic într-o direcție, iar quarcii inițiali în alta.

Sarcina electrică drept trasor

E greu de deosebit cele două explicații, fiindcă brațele joncțiunii se termină întotdeauna în quarci. Colaborarea STAR include mai multe universități europene (PubMed). Cercetătorii au folosit sarcina electrică drept indicator: quarcii au sarcină electrică, gluonii nu.

Echipa a comparat coliziunile dintre două nuclee aproape identice. Ruteniul-96 și zirconiul-96 au fiecare, în total, 96 de nucleoni — protoni și neutroni —, dar ruteniul are 44 de protoni, iar zirconiul 40. În 2018, STAR a înregistrat aproximativ 2 mld. de coliziuni pentru fiecare tip de nucleu (STAR). Numărul barionic inițial este același, iar sarcina electrică diferă; orice nepotrivire între locul în care ajung numărul barionic și sarcina ar trebui să iasă astfel la iveală.

STAR a măsurat apoi două diferențe între cele două tipuri de coliziune: schimbarea cantității de număr barionic care ajunge în centrul coliziunii și schimbarea sarcinii electrice care ajunge acolo. Echipa a raportat rezultatul la o scară pe care valoarea ar fi exact 1 dacă numărul barionic s-ar deplasa doar împreună cu quarcii inițiali. În coliziunile frontale, STAR a măsurat 1,84 (studiul STAR). Cea mai mare incertitudine vine de la neutroni, pe care detectorul nu îi poate observa și al căror număr a trebuit estimat. Chiar și așa, în centrul coliziunii a ajuns mult mai mult număr barionic decât poate explica sarcina electrică.

A doua coliziune indică aceeași direcție

Al doilea test a folosit nuclee de aur și un tip de coliziune mai puțin violent. STAR a selectat evenimente în care un foton dintr-un nucleu a lovit celălalt nucleu, apoi a măsurat cum se distribuie de-a lungul direcției fasciculului surplusul de protoni față de antiprotoni. Simulările standard ale evenimentelor preziceau o distribuție mai abruptă, deplasată mai mult în direcția de propagare. Distribuția măsurată s-a încadrat în intervalul așteptat dacă joncțiunile poartă numărul barionic (studiul STAR). Eșantionul a permis compararea formei distribuției cu teoria, dar nu și a numărului absolut de protoni.

Fizicieni din afara colaborării îndeamnă la prudență. Chun Shen a declarat pentru Science News că rezultatele susțin ipoteza joncțiunilor, dar nu sunt încă o „dovadă decisivă”. Zi-Wei Lin a observat că joncțiunea este ea însăși o legătură care implică quarci, deci formularea „gluoni în loc de quarci” exagerează concluzia (Science News).

Un test mai precis ar putea veni de la viitorul accelerator Electron–Ion Collider. O propunere evaluată de specialiști și publicată în 2024 a descris compararea deplasării numărului barionic cu cea a sarcinii electrice, folosind acolo nuclee de ruteniu și zirconiu drept ținte (EPJ C).

Joncțiunea este dedusă din particulele rezultate în urma coliziunii și nimeni nu a observat-o direct. STAR a constatat însă că ambele teste se abat de la modelele în care numărul barionic se deplasează numai împreună cu quarcii inițiali. Orice explicație despre felul în care protonul își păstrează identitatea într-o coliziune trebuie acum să țină cont de aceste rezultate.