Глюони, а не кварки, можуть нести ідентичність протона: проривне відкриття на RHIC

Протягом десятиліть у підручниках протон описували просто: три кварки, зв'язані глюонами, кожен з яких несе частку 'баріонного числа' — квантової властивості, яка робить протони стабільними та відрізняє матерію від антиматерії. Тепер ця картина може бути хибною.

Нові результати колаборації STAR на Релятивістському колайдері важких іонів (RHIC), опубліковані в журналі Science, надають перші експериментальні докази того, що баріонне число протона переноситься не трьома валентними кварками, а Y-подібним 'глюонним переходом' — непертурбативною топологічною конфігурацією самого глюонного поля .

Що виявив експеримент STAR

Команда STAR розробила три незалежні тести, щоб визначити, чи переноситься баріонне число разом із кварками чи з глюонами .

1. Зіткнення ізобарів (Рутеній-Рутеній проти Цирконій-Цирконій)

Зіштовхуючи два майже ідентичні атомні ядра, які відрізняються лише електричним зарядом (рутеній та цирконій), вчені змогли порівняти, скільки 'баріонного числа' проти 'електричного заряду' осідає в області середньої швидкості (mid-rapidity). Якби валентні кварки несли однаково і заряд, і баріонне число, співвідношення чистого баріону до різниці чистих зарядів відповідало б простому передбаченню. Замість цього команда STAR виявила приблизно вдвічі більше перенесення баріонів, ніж передбачала модель валентних кварків .

2. Фотон-золоті зіткнення

В ультрапериферійних зіткненнях, де фотон від одного ядра золота вдаряється об інше ядро золота, експеримент виміряв 'вихід чистих протонів' уздовж напрямку руху. Асиметрія за швидкістю (rapidity) була значно менш вираженою, ніж передбачали моделі, що припускають перенесення кварками, що знову вказувало на іншого носія .

3. Вихід чистих протонів у зіткненнях золото-золото

Для різних енергій зіткнень на RHIC було виміряно нахил зупинки чистих протонів (net-proton stopping). Він виявився експоненційним із підігнаним параметром α_B = 0.61 ± 0.03, що узгоджується з перенесенням через баріонний перехід із теорії Редже, а не з перенесенням на основі кварків .

Усі три вимірювання зійшлися на одному висновку: дані 'не підтримують картину валентних кварків' .

Баріонний перехід: гіпотеза 50-річної давнини

Ідея про те, що глюонна топологія може нести баріонне число, вперше була запропонована в 1970-х роках. У цій моделі 'баріонного переходу' (або 'струнного переходу') Y-подібна конфігурація глюонного поля знаходиться в центрі протона і несе повне баріонне число (B=1), одночасно маючи нульовий електричний заряд .

Три валентні кварки, згідно з цим поглядом, не несуть по 1/3 баріонного числа окремо. Натомість вони прикріплені до переходу, як гілки до стовбура. Коли протони стикаються на високій енергії, цей 'глюонний перехід' зупиняється набагато легше, ніж високоімпульсні кварки — його енергія перетворюється на нові баріони, які вилітають перпендикулярно до напрямку пучка, тоді як самі кварки продовжують рухатися вперед .

Чому це важливо для ширшого розуміння глюонної матерії

Відкриття змінює фундаментальну фізику в кількох аспектах:

• Глюони як носії збережуваного квантового числа: Глюони більше не є просто 'клеєм', що зв'язує кварки. Вони можуть бути первинним місцем збереження квантової властивості, надаючи глюонній матерії більш безпосередню роль у структурі звичайної матерії .

• Підказки щодо асиметрії матерії та антиматерії: Перенесення баріонного числа є ключовим процесом у ранньому Всесвіті. Розуміння того, як переноситься та зупиняється баріонне число, дає потужний експериментальний інструмент для вирішення проблеми асиметрії матерії та антиматерії .

• Екзотичні конфігурації КХД: Результат підтверджує теоретичне існування екзотичних станів, таких як баріонні глюболи та глюонні 'бакіболи' — конфігурації, повністю побудовані з глюонів, які несуть баріонне число без будь-яких валентних кварків .

Що далі

Оскільки демонтаж детектора STAR на RHIC вже триває, ці результати будуть піддані подальшій перевірці. Майбутній Електрон-іонний колайдер (EIC) у Брукхейвені, призначений для вивчення глюонної структури матерії з ще більшою деталізацією, зможе перевірити ці висновки за допомогою додаткових вимірювань .

Наразі ідентичність протона, схоже, спирається на Y-подібний вузол із чистого глюонного поля — нагадування про те, що навіть найвідоміші частинки все ще приховують глибокі сюрпризи.