Gluony nesou „baryonové číslo“ protonu: Průlomový objev z amerického urychlovače RHIC

Kvarky nevládnou samy: Objev, který přepisuje učebnice fyziky

Proton je základním stavebním kamenem atomových jader. Dlouho se učilo, že jeho identitu – neboli baryonové číslo – nesou tři valenční kvarky, z nichž každý přispívá jednou třetinou. Nový výzkum mezinárodní kolaborace STAR na urychlovači RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) v Brookhavenské národní laboratoři v USA však tuto představu boří .

Výsledky publikované v prestižním časopise Science poskytují první přímý experimentální důkaz, že baryonové číslo protonu ve skutečnosti nese topologická struktura gluonového pole – gluonová křižovatka ve tvaru písmene Y . Tato neperturbativní konfigurace gluonů je podle vědců hlavním nositelem konzervované kvantové vlastnosti, která odlišuje hmotu od antihmoty.

Tři nezávislé experimenty, jeden závěr

Vědci ze STAR provedli tři zcela odlišné typy měření, aby zjistili, kdo skutečně nese baryonové číslo :

1. Srážky izobarů – srovnání srážek jader ruthenia (Ru+Ru) a zirkonia (Zr+Zr). Obě jádra mají stejný počet nukleonů, ale liší se počtem protonů, což umožnilo oddělit vliv elektrického náboje od vlivu baryonového čísla.
2. Foton-zlaté srážky – měření, kdy vysokoenergetický foton interaguje s jádrem zlata.
3. Srážky zlata se zlatem (Au+Au) – analýza produkce protonů bez anti-protonů (čistá baryonová produkce).

Všechna tři měření se shodla: do střední oblasti (kolmo ke směru svazku) se dostává výrazně více baryonů, než by předpovídal model, kde by baryonové číslo nesly jednotlivé kvarky .

Gluonová křižovatka: Obraz, který dává smysl

Data nejlépe odpovídají hypotéze „baryonové křižovatky“ (z anglického baryon junction), kterou fyzici poprvé navrhli už v 70. letech 20. století. V tomto modelu je baryonové číslo (B=1) spojeno s topologickým uzlem v gluonovém poli, který má tvar Y – jeho tři ramena se napojují na kvarky, ale podstata čísla je uložena v samotném uzlu, nikoli v kvarcích. Tato gluonová křižovatka má zároveň nulový elektrický náboj .

Klíčový je osud těchto struktur při srážkách. Zatímco kvarky s vysokou hybností snadno proletí oblastí srážky, masivnější gluonová křižovatka se snadno „zastaví“. Její energie se pak přemění na vznik nových baryonů, které se rozletí kolmo ke směru původních svazků. Kvarky mezitím pokračují dál, aniž by si s sebou nesly původní baryonové číslo .

Širší význam: Od elementárních částic k osudu vesmíru

Objev má dalekosáhlé důsledky pro celou fyziku :

• Přepisuje chápání struktury hmoty: Gluony nejsou jen „lepidlo“ držící kvarky pohromadě. Mohou samy přímo nést konzervované kvantové číslo, což jim dává zásadnější roli ve stabilitě běžné hmoty.
• Otevírá nové možnosti pro kvantovou chromodynamiku (QCD): Ukazuje, že existují netriviální topologické struktury gluonového pole, které byly dosud spíše teoretickou spekulací. Potvrzuje existenci exotických gluonových konfigurací, jako jsou baryoniové gluebally nebo tzv. gluonové „buckyballs“ (složité molekuly čistě z gluonů).
• Pomůže pochopit nerovnováhu hmoty a antihmoty: Protože baryonové číslo je jedním z klíčových parametrů pro vznik hmoty v raném vesmíru, poznání mechanismu jeho přenosu je zásadní pro řešení otázky, proč ve vesmíru pozorujeme převahu hmoty nad antihmotou.

„Data, která jsme získali novou metodou, nečekaně neodpovídala standardnímu modelu. Museli jsme přehodnotit, co vlastně baryonové číslo nese,“ uvedli zástupci kolaborace . Výsledky tak nejen řeší dlouholetou záhadu, ale také ukazují, že gluonová hmota má mnohem bohatší a aktivnější roli, než se dosud myslelo.