Merania STAR spochybňujú kvarkové modely protónu

Keď sa atómové jadrá zrazia dostatočne prudko, kvarky v ich protónoch sa rozptyľujú. Baryónové číslo, ktoré majú protóny aj neutróny, sa zachováva, takže sa pri zrážke nemôže stratiť: musí sa niekam preniesť. V dvoch testoch zverejnených 13. augusta 2026 zistila kolaborácia STAR na urýchľovači v USA, že sa neprenáša tak, ako predpovedajú modely spájajúce ho s kvarkami vstupujúcimi do zrážky (Science). Časopis Nature označil 6. októbra túto prácu za najsilnejší doterajší experimentálny dôkaz, že baryónové číslo môže niesť aj štruktúra v gluónovom poli (Nature).

Bilancia, ktorá sa vždy vyrovná

Baryónové číslo si možno predstaviť ako účtovnú bilanciu, ktorá sa musí vyrovnať po každej transakcii, nech je zrážka akokoľvek prudká. Protón alebo neutrón má hodnotu +1, antiprotón −1 a každý kvark tretinu, takže tri základné kvarky protónu dávajú spolu presne jednu jednotku (Science). Pri takomto prehľadnom účtovaní sa zdá prirodzené pripísať túto hodnotu kvarkom.

Kvarky držia pohromade gluóny, častice sprostredkujúce silnú interakciu, podobne ako pružné šnúrky držia tri guľôčky. Gluónové pole spájajúce tri kvarky protónu si možno predstaviť ako tri vlákna zbiehajúce sa v jednom bode, podobne ako ramená písmena Y (Brookhaven).

Niektorí teoretici tvrdia, že baryónové číslo patrí tomuto spoločnému bodu, ktorý nazývajú uzlom (junction), a nie kvarkom na koncoch vlákien. Ak majú pravdu, pri zrážke sa baryónové číslo môže vydať jedným smerom a pôvodné kvarky iným.

Elektrický náboj ako stopa

Rozlíšiť tieto dva obrazy je ťažké, pretože ramená uzla sa vždy končia na kvarkoch. STAR je veľká vedecká kolaborácia, do ktorej patria aj viaceré európske univerzity (PubMed). Ako stopu použila elektrický náboj: kvarky ho nesú, gluóny nie.

Tím porovnal zrážky dvoch takmer rovnakých jadier. Ruténium-96 a zirkónium-96 obsahujú každé spolu 96 nukleónov (protónov a neutrónov), no ruténium má 44 protónov a zirkónium 40. STAR v roku 2018 zaznamenala približne dve miliardy zrážok s každým z nich (STAR). Počet baryónov v oboch jadrách bol rovnaký, líšil sa iba elektrický náboj, preto by sa mal ukázať každý rozdiel v tom, kam sa baryónové číslo a náboj dostanú.

STAR potom merala dve odchýlky medzi typmi zrážok: zmenu baryónového čísla, ktoré dorazilo do ich stredu, a zmenu elektrického náboja, ktorý tam dorazil. Porovnanie preškálovala tak, aby výsledok vyšiel presne 1, keby sa baryónové číslo prenášalo iba s kvarkami vstupujúcimi do zrážky. Pri najcentrálnejších zrážkach namerala hodnotu 1,84 (STAR paper). Najväčším zdrojom neistoty sú neutróny, ktoré detektor nedokáže zachytiť, takže ich tím musel odhadnúť. Aj tak sa do stredu dostalo oveľa viac baryónového čísla, než by vysvetlil elektrický náboj.

Druhá zrážka ukazuje rovnakým smerom

Pri druhom teste skúmala STAR zlaté jadrá a menej prudký typ zrážky. Tím vybral prípady, keď fotón z jedného jadra narazil do druhého, a potom meral, ako sa pozdĺž osi zväzku rozložil prebytok protónov nad antiprotónmi.

Bežné simulácie zrážok predpovedali strmší priebeh rozdelenia, posunutý viac v smere pohybu častíc. Namerané rozloženie zodpovedalo rozsahu očakávanému v prípade, že baryónové číslo nesú uzly (STAR paper). Táto vzorka umožňovala porovnať s teóriou iba tvar rozdelenia, nie absolútny počet protónov.

Fyzici, ktorí sa na výskume nepodieľali, odporúčajú opatrnosť. Chun Shen povedal Science News, že výsledky hovoria v prospech uzlov, zatiaľ však nejde o „jednoznačný dôkaz“. Zi-Wei Lin upozornil, že uzol sám je spojovacou štruktúrou zahŕňajúcou kvarky, takže tvrdenie „gluóny namiesto kvarkov“ je prehnané (Science News).

Presnejší test by mohol ponúknuť plánovaný Electron–Ion Collider. Recenzovaný návrh z roku 2024 načrtol porovnanie toho, ako sa prenášajú baryónové číslo a elektrický náboj, s použitím terčov z ruténia a zirkónia (EPJ C).

Uzol vedci vyvodzujú z častíc vzniknutých pri zrážke; nikto ho priamo nepozoroval. STAR však zistila, že výsledky oboch testov sa odchyľujú od modelov, podľa ktorých sa baryónové číslo prenáša výlučne s kvarkami vstupujúcimi do zrážky. Každé vysvetlenie toho, ako si protón pri zrážke zachováva svoju identitu, teraz musí zohľadniť aj toto zistenie.