Trki STAR postavljajo pod vprašaj kvarkovne modele protona

Ko atomski jedri trčita dovolj silovito, se kvarki v protonih razpršijo. Barionsko število, ki je značilno za protone in nevtrone, se ne more izgubiti, zato se mora nekam prenesti. V dveh preizkusih, objavljenih 13. avgusta 2026 v reviji Science, je kolaboracija STAR pri ameriškem trkalniku ugotovila, da se ne prenaša tako, kot napovedujejo modeli, ki ga pripisujejo kvarkom v trku (Science). Revija Nature je 6. oktobra zapisala, da gre za najmočnejši dosedanji eksperimentalni dokaz, da se lahko barionsko število prenaša tudi prek strukture v gluonskem polju (Nature).

Račun, ki se mora vedno iziti

Barionsko število si lahko predstavljamo kot evidenco, ki se mora iziti po vsakem dogodku, še tako silovitem. Proton ali nevtron šteje +1, antiproton −1, vsak kvark pa eno tretjino, zato trije osnovni kvarki v protonu skupaj dajo natanko eno enoto (Science). Ob tako urejenem računu se zdi samoumevno, da je ta oznaka vezana na kvarke.

Kvarke povezujejo gluoni, delci, ki prenašajo močno jedrsko silo. Njihovo vlogo si lahko predstavljamo kot elastične vrvice, ki držijo skupaj tri frnikole. Gluonsko polje med tremi kvarki v protonu si lahko ponazorimo s tremi kraki, ki se stikajo v eni točki, podobno kot črka Y (Brookhaven).

Nekateri teoretiki menijo, da je barionsko število vezano na to stičišče, imenovano vozlišče, in ne na kvarke na koncih njegovih krakov. Če imajo prav, bi lahko trk barionsko število odnesel v eno smer, prvotne kvarke pa v drugo.

Električni naboj kot sledilnik

Razlikovati med tema razlagama je težko, saj se kraki vozlišča vedno končajo pri kvarkih. Kolaboracija STAR, v kateri sodeluje tudi več evropskih univerz (PubMed), je zato uporabila električni naboj kot sledilnik: kvarki ga imajo, gluoni pa ne.

Ekipa je primerjala trke dveh skoraj enakih jeder. Rutenij-96 in cirkonij-96 vsebujeta vsak po 96 nukleonov, torej protonov in nevtronov, vendar ima rutenij 44 protonov, cirkonij pa 40. STAR je leta 2018 zabeležil približno dve milijardi trkov vsake vrste (STAR). Število barionov na začetku je bilo pri obeh vrstah trkov enako, razlikoval pa se je naboj. Zato bi se moralo pokazati vsako neskladje med tem, kam prispejo barioni, in tem, kam električni naboj.

STAR je nato primerjal dve količini: spremembo števila barionov, ki dosežejo središče trka, in spremembo naboja, ki pride tja. Rezultat je preračunal tako, da bi bila vrednost natanko 1, če bi se barionsko število prenašalo samo z vhodnimi kvarki. Pri najbolj čelnih trkih je izmeril 1,84 (članek STAR). Največji vir negotovosti pri tej vrednosti so nevtroni, ki jih detektor ne zazna, zato jih je morala ekipa oceniti. Kljub temu je v središče trka prišlo precej več barionov, kot bi jih lahko pojasnil naboj.

Drugi trk kaže v isto smer

Drugi preizkus je uporabil zlata jedra in manj silovit trk. STAR je izbral dogodke, v katerih je delec svetlobe iz enega jedra zadel drugo, nato pa izmeril, kako je presežek protonov nad antiprotoni razporejen vzdolž smeri snopa. Standardne simulacije dogodkov so napovedovale strmejši profil, pomaknjen dlje v smeri gibanja. Izmerjena porazdelitev se je ujemala z razponom, pričakovanim, če barionsko število prenašajo vozlišča (članek STAR). Ta vzorec je omogočal primerjavo oblike porazdelitve s teorijo, ne pa tudi absolutnega števila protonov.

Zunanji fiziki zato pozivajo k previdnosti. Chun Shen je za Science News povedal, da rezultati govorijo v prid vozliščem, vendar še niso »dokončen dokaz«. Zi-Wei Lin pa je opozoril, da je vozlišče samo povezava, v kateri sodelujejo kvarki, zato trditev o »gluonih namesto kvarkov« pretirava (Science News).

Natančnejši preizkus bi lahko omogočil načrtovani trkalnik elektronov in ionov, Electron–Ion Collider. V recenziranem predlogu iz leta 2024 so predvideli primerjavo prenosa barionskega števila in naboja na tarčah iz rutenija in cirkonija (EPJ C).

O obstoju vozlišča sklepajo iz delcev, ki nastanejo ob trku; neposredno ga ni opazil nihče. STAR je izmeril, da oba preizkusa odstopata od modelov, po katerih se barionsko število prenaša samo z vhodnimi kvarki. Vsaka razlaga, kako proton v trku ohrani svojo identiteto, mora zdaj pojasniti ta odmik.