המהפכה במבנה הפרוטון: תגלית ניסויית ראשונה מצביעה על 'צומת גלואונים' כנושא המספר הבאריוני

במשך עשרות שנים, התמונה הבסיסית של הפרוטון הייתה פשוטה: שלושה קווארקים הקשורים זה בזה על ידי גלואונים, כשכל קווארק נושא חלק מ'מספר באריוני' – התכונה הקוונטית ששומרת על יציבות הפרוטון ומבדילה בין חומר לאנטי-חומר. תמונה זו עשויה כעת להשתנות לחלוטין.

תוצאות חדשות מצוות STAR במאיץ היונים הכבדים היחסותי (RHIC), שפורסמו בכתב העת Science, מספקות את העדות הניסויית הראשונה לכך שהמספר הבאריוני של הפרוטון אינו מוחזק על ידי שלושת קווארקי הערכיות שלו, אלא על ידי 'צומת גלואונים' בצורת Y – תצורה טופולוגית לא-פרטורבטיבית של שדה הגלואונים עצמו .

מה מצא ניסוי STAR

צוות STAR תכנן שלושה מבחנים עצמאיים כדי לקבוע האם המספר הבאריוני נע יחד עם הקווארקים או עם הגלואונים .

1. התנגשויות איזובריות (רותניום-רותניום לעומת זירקוניום-זירקוניום)

התנגשות של שני גרעיני אטום כמעט זהובים הנבדלים רק במטען החשמלי שלהם (רותניום וזירקוניום) אפשרה למדענים להשוות כמה 'מספר באריוני' לעומת 'מטען חשמלי' הופקד באזור 'אמצע-המהירות' (mid-rapidity) – האזור הקרוב לנקודת ההתנגשות. אם קווארקי ערכיות נושאים גם מטען וגם מספר באריוני באופן שווה, היחס בין העברת באריונים נטו להפרש המטען נטו היה צפוי להיות פשוט. במקום זאת, צוות STAR מצא בערך פי שניים העברת באריונים ממה שמודל קווארקי הערכיות חזה .

2. התנגשויות פוטון-זהב

בהתנגשויות היקפיות-אולטרה, שבהן פוטון מגרעין זהב אחד פוגע בגרעין זהב אחר, מדד הניסוי את 'תפוקת הפרוטונים נטו' לאורך כיוון התנועה. האסימטריה במהירות הייתה הרבה פחות בולטת מזו שמודלים המניחים הובלת קווארקים היו מייצרים, ושוב הצביעה על נושא אחר .

3. תפוקות פרוטונים נטו בהתנגשויות זהב-זהב

על פני אנרגיות התנגשות שונות ב-RHIC, השיפוע של עצירת הפרוטונים נטו נמדד כאקספוננציאלי עם פרמטר מותאם α_B = 0.61 ± 0.03, התואם להובלת צומת באריונים מתורת רגה (Regge theory) ולא להובלה מבוססת קווארקים .

שלושת המדידות התכנסו לאותה מסקנה: הנתונים 'שוללים את תמונת קווארקי הערכיות' .

צומת הבאריונים: השערה בת 50 שנה

הרעיון שטופולוגיה גלואונית יכולה לשאת מספר באריוני הוצע לראשונה בשנות ה-70. במודל 'צומת הבאריונים' או 'צומת המיתרים', תצורה בצורת Y של שדה הגלואונים יושבת במרכז הפרוטון ומחזיקה את המספר הבאריוני המלא (B=1) תוך שהיא נושאת מטען חשמלי אפסי .

שלושת קווארקי הערכיות, לפי השקפה זו, אינם נושאים כל אחד 1/3 מהמספר הבאריוני. במקום זאת, הם מחוברים לצומת כמו ענפים לגזע. כאשר פרוטונים מתנגשים באנרגיה גבוהה, 'צומת גלואונים' זה נעצר הרבה יותר בקלות מאשר הקווארקים בעלי התנע הגבוה – האנרגיה שלו מומרת לבאריונים חדשים המתיזים בניצב לקרן, בעוד הקווארקים עצמם ממשיכים קדימה .

מדוע זה חשוב להבנה הרחבה יותר של חומר גלואוני

התגלית מעצבת מחדש את הפיזיקה הבסיסית בכמה אופנים:

• גלואונים כנושאים של מספר קוונטי שמור: גלואונים אינם עוד רק ה'דבק' הקושר קווארקים. הם יכולים לשמש כמוקד העיקרי של תכונה קוונטית שמורה, מה שמעניק לחומר הגלואוני תפקיד ישיר יותר במבנה החומר הרגיל .

• רמזים לאסימטריה בין חומר לאנטי-חומר: הובלת מספר באריוני היא תהליך מפתח ביקום המוקדם. הבנה כיצד המספר הבאריוני נשא – ונעצר – מספקת כלי ניסויי חזק לבעיית האסימטריה בין חומר לאנטי-חומר .

• תצורות QCD אקזוטיות: התוצאה תומכת בקיום התאורטי של מצבים אקזוטיים כמו 'גלובולים באריוניים' ו'באקיבול' גלואוני – תצורות הבנויות כולן מגלואונים שהיו נושאות מספר באריוני ללא כל קווארקי ערכיות .

מה הלאה

עם פירוק גלאי STAR שמתחיל ב-RHIC, תוצאות אלה ייבדקו לעומק. מאיץ האלקטרונים-יונים העתידי (EIC) בברוקהייבן, שנועד לחקור את המבנה הגלואוני של החומר בפירוט רב עוד יותר, יוכל לבחון ממצאים אלה באמצעות מדידות משלימות .

לעת עתה, נראה שזהותו של הפרוטון נשענת על קשר בצורת Y של שדה גלואונים טהור – תזכורת לכך שגם החלקיקים המוכרים ביותר טומנים בחובם הפתעות עמוקות.