Физики обнаружили одни из самых убедительных экспериментальных свидетельств до настоящего времени, которые предполагают, что фундаментальное свойство протонов и нейтронов может не быть связано с тремя кварками, из которых они состоят, как считалось ранее. Вместо этого, так называемый барионный номер может передаваться через структуру в форме буквы Y, известную как барионное соединение, которое формируется глюонами.
Это открытие, опубликованное в журнале Science, предоставляет новые данные для идеи, выдвинутой еще в 1970-х годах, и потенциально помогает разрешить одну из фундаментальных проблем физики элементарных частиц: что обеспечивает стабильность материи и как она приобрела свойства, позволившие существовать Вселенной в ее нынешнем виде.
Барионный номер используется для различения материи и антиматерии и связан с кажущейся стабильностью протона. Протон является самым легким барионом — классом субатомных частиц, состоящих из кварков, — и до сих пор не было зафиксировано ни одного случая распада протона.
Традиционное объяснение утверждает, что барионный номер несут три валентных кварка, образующие барионы, такие как протоны и нейтроны. Однако новое исследование представляет доказательства, которые ставят под сомнение эту модель и поддерживают интерпретацию, согласно которой барионный номер ассоциирован с барионным соединением.
Предложенная структура имеет форму Y и состоит из поля глюонов — частиц, ответственных за сильное взаимодействие, которое связывает кварки. Гипотеза возникла около 50 лет назад, но десятилетиями физики не могли найти экспериментального способа адекватно различить эти две возможности.
Как объясняют исследователи, три конца барионного соединения соединены с валентными кварками. Поэтому в большинстве физических процессов трудно определить, несет ли барионный номер само соединение или сами кварки. Исследователи написали в статье, опубликованной в Science: «По этой причине ни один из двух сценариев не был однозначно проверен экспериментально».
Исследователи заметили, что барионы проходят большее расстояние в плотной и чрезвычайно энергетической области, созданной столкновением, чем электрический заряд. По мнению авторов, такое поведение указывает на то, что барионный номер передается соединением, которое не замедляется так же, как электроно-заряженные валентные кварки.
Команда также проанализировала фотоядерные столкновения, в которых фотоны взаимодействуют с ядрами золота, движущимися на релятивистских скоростях. Когда ядра золота, имеющие положительный заряд, ускоряются до скоростей, близких к скорости света, они генерируют электромагнитное поле, которое может рассматриваться как источник виртуальных, или «почти реальных», фотонов. Эти фотоны затем могут взаимодействовать с ядрами золота, обеспечивая более чистый способ наблюдения за переносом барионного номера. Поскольку фотон, достигающий столкновения, имеет барионный номер, равный нулю, любой чистый барионный номер, обнаруженный в результирующих фрагментах, должен быть связан с ядром золота.
Результаты также соответствовали предсказаниям теории Регге, которая более адекватно включает барионное соединение, чем симуляции, основанные исключительно на валентных кварках. По словам исследователей, эти результаты, в сочетании с данными, ранее полученными STAR в столкновениях ядер золота при различных энергиях, ослабляют модель, основанную на валентных кварках.
Несмотря на силу доказательств, результаты не завершают вопрос полностью. В перспективе, опубликованной вместе с исследованием в Science, физик Wenliang Li из Университета штата Миссисипи (США) подчеркивает, что новые измерения предполагают, что глюоны могут способствовать переносу барионного номера, но они не являются прямым и строго контролируемым измерением механизма, ответственного за это явление.
Тем не менее, это открытие может иметь важное значение. При дополнительных исследованиях понимание того, как кварки и глюоны переносят барионный номер, может помочь физикам изучить, как сильное взаимодействие организует стабильную материю и почему существует преобладание материи над антиматерией во Вселенной. Как отмечают исследователи: «Определение того, переносят ли кварки или поле глюонов барионный номер, может способствовать пониманию того, как сильное взаимодействие между субатомными частицами организует стабильную материю и что вызывает дисбаланс между материей и антиматерией во Вселенной».
Исследование должно продолжаться с новыми экспериментами по столкновению частиц. Среди них будущий коллайдер электрон-ион, который будет построен в Национальной лаборатории Брукхейвена. Сами исследователи подчеркивают, что необходимы дополнительные изыскания относительно существующих и альтернативных теорий. Чтобы считаться жизнеспособными, они должны одновременно объяснять все наблюдаемые явления. На данный момент, утверждают авторы, «только структура барионного соединения остается качественно согласованной» с имеющимися результатами.
