Gluony, nikoliv kvarky, nesou identitu protonu: přelomový objev na urychlovači RHIC

Desítky let učebnice tvrdily, že proton je jednoduchý: tři kvarky spojené gluony, každý s třetinou ‚baryonového čísla‘ – kvantové vlastnosti, díky níž je proton stabilní a která odlišuje hmotu od antihmoty. Tento obrázek je zřejmě mylný.

Nové výsledky mezinárodní spolupráce STAR na Relativistickém urychlovači těžkých iontů (RHIC), publikované v časopise Science, přinášejí první experimentální důkaz, že baryonové číslo protonu nenesou jeho tři valenční kvarky, ale Y-spojka gluonů – topologická konfigurace gluonového pole, kterou nelze popsat běžnou poruchovou teorií .

Co experiment STAR zjistil

Tým STAR navrhl tři nezávislé testy, které měly rozhodnout, zda baryonové číslo putuje s kvarky, nebo s gluony .

1. Srážky izobarů (ruthenium-ruthenium vs. zirkonium-zirkonium)

Srážkami dvou téměř identických atomových jader, lišících se pouze elektrickým nábojem (ruthenium a zirkonium), vědci porovnávali, kolik ‚baryonového čísla‘ oproti ‚elektrickému náboji‘ skončilo v oblasti střední rapidity – tedy poblíž místa srážky . Pokud by valenční kvarky nesly náboj i baryonové číslo stejnou měrou, poměr přeneseného baryonového čísla k rozdílu nábojů by odpovídal jednoduché předpovědi. Místo toho tým STAR naměřil zhruba dvakrát větší přenos baryonů, než model s valenčními kvarky předpovídá .

2. Srážky fotonů se zlatem

Při ultrape riferních srážkách, kdy foton z jednoho jádra zlata udeří do druhého, experiment změřil ‚výtěžek čistých protonů‘ ve směru letu. Asymetrie v rapiditě byla mnohem méně výrazná, než by produkovaly modely předpokládající transport kvarků – což opět poukazuje na jiného nositele .

3. Výtěžky čistých protonů ve srážkách zlata se zlatem

Napříč srážkovými energiemi na RHIC byl změřen sklon zastavování čistých protonů. Ukázalo se, že je exponenciální s parametrem α_B = 0,61 ± 0,03, což je v souladu s transportem baryonové spojky podle Reggeho teorie, ale nikoliv s transportem založeným na kvarcích .

Všechna tři měření vedla ke stejnému závěru: data ‚vyvracejí představu valenčních kvarků‘ .

Baryonová spojka: padesát let stará hypotéza

Myšlenka, že gluonová topologie by mohla nést baryonové číslo, byla poprvé navržena v 70. letech 20. století . V tomto modelu ‚baryonové spojky‘ (neboli ‚strunné spojky‘) sedí ve středu protonu Y-konfigurace gluonového pole, která drží plné baryonové číslo (B=1), ale nenese žádný elektrický náboj .

Tři valenční kvarky v tomto pohledu nenesou každý 1/3 baryonového čísla. Jsou na spojku připojeny jako větve ke kmeni. Když protony kolidují při vysoké energii, tato ‚gluonová spojka‘ se zastaví mnohem snadněji než vysokoenergetické kvarky – její energie se přemění na nové baryony, které se rozletí kolmo ke směru svazku, zatímco kvarky samotné pokračují vpřed .

Proč je to důležité pro širší pochopení gluonové hmoty

Objev zásadním způsobem přetváří základní fyziku v několika směrech:

• Gluony jako nositelé konzervovaného kvantového čísla: Gluony již nejsou pouze ‚lepidlem‘, které spojuje kvarky. Mohou být primárním sídlem konzervované kvantové vlastnosti, což dává gluonové hmotě přímější roli ve struktuře běžné hmoty .

• Vodítko k asymetrii hmoty a antihmoty: Transport baryonového čísla je klíčovým procesem v raném vesmíru. Pochopení toho, jak je baryonové číslo neseno – a zastavováno – poskytuje silný experimentální nástroj k řešení problému asymetrie hmoty a antihmoty .

• Exotické konfigurace QCD: Výsledek podporuje teoretickou existenci exotických stavů, jako jsou baryoniové gluebally a gluonové ‚buckybally‘ – konfigurace zcela postavené z gluonů, které by nesly baryonové číslo bez jakýchkoli valenčních kvarků .

Co bude dál

S demontáží detektoru STAR na RHIC budou tyto výsledky dále zkoumány. Připravovaný Elektron-iontový urychlovač (EIC) v Brookhavenu, navržený k ještě podrobnějšímu zkoumání gluonové struktury hmoty, bude schopen tato zjištění otestovat pomocí doplňkových měření .

Prozatím se zdá, že identita protonu spočívá na Y-spojce z čistého gluonového pole – připomínka, že i ty nejznámější částice stále skrývají hluboká překvapení.