STAR-kollisioner utmanar kvarkmodellen för protonen

När två atomkärnor kolliderar med tillräcklig kraft sprids kvarkarna i protonerna. Protoner och neutroner har baryontalet +1, en egenskap som inte kan gå förlorad utan måste ta vägen någonstans. I två försök som STAR-samarbetet publicerade i Science den 13 augusti 2026 visade resultaten från en amerikansk partikelaccelerator att baryontalet inte rör sig som modeller där det följer de inkommande kvarkarna förutsäger (Science). Den 6 oktober beskrev Nature arbetet som det hittills starkaste experimentella belägget för att baryontalet i stället kan följa en struktur i gluonfältet (Nature).

En bokföring som alltid går jämnt upp

Baryontalet fungerar som en bokföring som måste gå jämnt upp efter varje reaktion, hur våldsam den än är. En proton eller neutron räknas som +1, en antiproton som −1 och varje kvark som en tredjedel. Protonens tre kvarkar summerar därför till exakt ett (Science). Med en så tydlig bokföring ligger det nära till hands att se kvarkarna som bärare av baryontalet.

Gluoner håller ihop kvarkarna och förmedlar den starka växelverkan, ungefär som elastiska band skulle kunna hålla samman tre kulor. Gluonfältet som förenar protonens tre kvarkar kan beskrivas som tre trådar som möts i en punkt, formade som bokstaven Y (Brookhaven).

Vissa teoretiker menar att baryontalet hör till den här mötespunkten, en så kallad junction, snarare än till kvarkarna i ändarna. Om de har rätt kan en kollision föra baryontalet åt ett håll och de ursprungliga kvarkarna åt ett annat.

Laddning som spårämne

Det är svårt att skilja mellan de två förklaringarna eftersom knutpunktens armar alltid slutar i kvarkar. STAR är ett stort forskningssamarbete med flera europeiska universitet (PubMed). Samarbetet använde elektrisk laddning som spårämne, eftersom kvarkar har laddning medan gluoner saknar den.

Forskarna jämförde kollisioner mellan två nästan likadana atomkärnor. Ruthenium-96 och zirkonium-96 innehåller båda 96 nukleoner, alltså protoner och neutroner, men ruthenium har 44 protoner mot zirkoniums 40. STAR registrerade omkring två miljarder kollisioner av vardera sorten 2018 (STAR). Antalet baryoner före kollisionen är detsamma, medan den elektriska laddningen skiljer sig. Då bör det gå att se om baryoner och laddning hamnar på olika ställen.

STAR mätte sedan två skillnader mellan kollisionstyperna: förändringen i hur mycket baryontal som nådde kollisionens centrum och förändringen i hur mycket laddning som nådde dit. Jämförelsen skalades så att resultatet skulle bli exakt 1 om baryontalet bara följde de inkommande kvarkarna. I de mest frontala kollisionerna uppmätte STAR 1,84 (STAR paper). Den största osäkerheten gäller neutronerna, som detektorn inte kan se och som forskarna därför behövde uppskatta. Trots det nådde betydligt mer baryontal centrum än vad laddningen kunde förklara.

En andra kollision pekar åt samma håll

Det andra försöket använde guldkärnor och en mildare typ av kollision. STAR valde ut händelser där en foton från den ena kärnan träffade den andra och mätte sedan hur överskottet av protoner jämfört med antiprotoner var fördelat längs strålriktningen. Standardsimuleringarna av kollisioner förutsade en brantare fördelning, förskjuten längre i färdriktningen. Den uppmätta spridningen stämde med det intervall som väntas om knutpunkter bär baryontalet (STAR paper). Urvalet gjorde det bara möjligt att jämföra fördelningens form med teorin, inte det absoluta antalet protoner.

Fysiker utanför samarbetet manar till försiktighet. Chun Shen sade till Science News att resultaten talar för knutpunkter, men ännu inte är något definitivt bevis. Zi-Wei Lin påpekade att knutpunkten själv är en förbindelse som involverar kvarkar. Att säga ”gluoner i stället för kvarkar” blir därför missvisande (Science News).

Ett mer utslagsgivande test kan göras vid den planerade Electron–Ion Collider. Ett sakkunniggranskat förslag från 2024 beskrev hur forskare där skulle kunna jämföra transporten av baryontal och laddning med ruthenium- och zirkoniummål (EPJ C).

Knutpunkten härleds ur partiklarna efter kollisionen, och ingen har observerat den direkt. STAR såg däremot att båda försöken avviker från modeller där baryontalet bara följer de inkommande kvarkarna. Varje förklaring till hur protonen behåller sin identitet i en kollision måste nu ta hänsyn till det.