Новое понимание внутреннего устройства протона меняет представление о переносе барионного числа.
Долгое время считалось, что протон состоит из трёх валентных кварков. Однако свежие данные эксперимента STAR предполагают иное: барионное число протона может быть связано с Y-образной конфигурацией глюонного поля, соединяющей эти три кварка. Это открытие ставит под вопрос классическую модель, согласно которой каждый валентный кварк отвечает за третью часть барионного числа.
Барионное число — это фундаментальная квантовая характеристика элементарных частиц. У протона и нейтрона оно равно единице, у их античастиц — минус единице. Отдельные кварки обладают барионным числом 1/3, а антикварки — минус 1/3. Таким образом, три валентных кварка в сумме дают единицу. Однако физиков волнует более глубокий вопрос: переносится ли барионное число вместе с кварками при столкновениях, или за его перенос отвечает какая-то другая часть структуры протона?
Наиболее вероятным кандидатом оказался так называемый барионный узел — Y-образная конфигурация глюонного поля, в которой три ветви встречаются в единой точке и удерживают три валентных кварка вместе. Глюоны отвечают за сильное взаимодействие, благодаря которому кварки остаются в составе протонов и нейтронов. Идея барионного узла возникла ещё в 1970-х годах, но экспериментально подтвердить, что именно глюонная конфигурация, а не валентные кварки, переносит барионное число, удалось только недавно.
Для проверки обеих гипотез учёные использовали данные столкновений атомных ядер на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов RHIC. Установка STAR улавливает тысячи частиц, возникающих после каждого столкновения, и восстанавливает траектории их движения. Новый метод анализа данных показал результаты, которые плохо согласуются с моделью переноса барионного числа валентными кварками. После этого учёные проверили предсказания модели барионного узла.
Различия между двумя моделями особенно чётко проявляются при лобовых столкновениях частиц. Валентные кварки исходного протона обладают высокой скоростью движения вдоль пучка и могут продолжить движение в том же направлении после столкновения. Если барионное число тесно связано с кварками, большая его часть должна перемещаться вдоль той же оси.
Барионный узел демонстрирует совершенно иное поведение. При столкновении Y-образная конфигурация глюонов может значительно замедлиться, тогда как кварки продолжат движение вдоль пучка. Энергия затормозившейся конфигурации израсходуется на создание новых барионов. В этом случае протоны, нейтроны и другие барионы рождаются в центральной зоне столкновения и разлетаются в поперечных направлениях, вместо того чтобы следовать за исходными кварками вдоль оси пучка. Именно таких результатов предсказывает модель барионного узла.
Результаты STAR подтверждают избыток барионов, движущихся поперёк направления исходных пучков. Такое распределение трудно объяснить, если предположить, что барионное число просто разделено между тремя валентными кварками. Экспериментальные данные гораздо лучше согласуются с моделью, в которой барионное число переносит Y-образная конфигурация глюонного поля.
Важно отметить, что исследование не предлагает никаких новых элементарных частиц внутри протона. Барионный узел не является частицей в классическом смысле, подобно кварку или глюону. Учёные описывают определённую конфигурацию глюонного поля, которая связывает три кварка и, согласно новым экспериментальным данным, способна самостоятельно переносить барионное число.
Это различие имеет принципиальное значение для понимания структуры барионов. В традиционной модели происхождение барионного числа напрямую связывается с тремя валентными кварками: каждый даёт 1/3, поэтому протон получает единицу. Альтернативная модель смещает внимание на конфигурацию глюонного поля между кварками. В этом случае движение барионного числа при столкновении может значительно отличаться от движения электрического заряда, который по-прежнему связан с кварками. Именно это различие позволяет экспериментально различить две модели.
Барионное число имеет значение далеко за пределами физики ускорителей. Законы природы с высочайшей точностью сохраняют баланс между барионами и антибарионами в наблюдаемых процессах. Однако физика пока не объясняет, почему в ранней Вселенной вещество преобладало над антивеществом. Новое исследование не решает проблему асимметрии между веществом и антивеществом, но уточняет более фундаментальный вопрос: какая именно часть структуры протона отвечает за перенос барионного числа.
