Физики раскрыли тайну: внутри протона обнаружена скрытая структура кварков

Эксперименты на коллайдере RHIC продемонстрировали, что перенос барионного числа протона происходит иначе, чем предполагала кварковая модель, что подтверждает многолетнюю гипотезу о глюонной структуре, существующей внутри барионов

Физики из коллаборации STAR получили новые экспериментальные данные, поддерживающие теорию о том, что кварки внутри протона удерживаются особенностью глюонной структуры — барионным узлом (baryon junction). Это исследование также способствует пониманию происхождения одного из основополагающих свойств протонов — барионного числа, которое отличает материю от антиматерии и связано с одним из ключевых вопросов современной физики: почему наблюдаемая Вселенная почти полностью состоит из материи, хотя в ранней Вселенной материя и антиматерия должны были возникать одновременно.

Протоны и нейтроны являются барионами — составными частицами, из которых формируются атомные ядра. Внутри них находятся кварки, а взаимодействие между кварками обеспечивают глюоны — носители сильного взаимодействия. Долгое время протон можно было упрощенно представить как систему из трех кварков, однако существовала и более сложная модель, в которой эти кварки соединены барионным узлом — конфигурацией глюонного поля. В таком описании характеристики протона определяются не только кварками, но и структурой поля, связывающего их.

Вопрос о барионном числе — сохраняющемся квантовом числе, которое характеризует барионы — имеет особое значение. Для него учитывается количество кварков и антикварков: в данной модели барионное число определяется как одна треть разности между количеством кварков и антикварков. Положительное значение соответствует обычной материи, а отрицательное — антиматерии. Традиционная модель связывает это число непосредственно с тремя кварками протона. Альтернативная теория предполагает, что его переносит глюонное поле барионного узла. До новой работы не существовало экспериментальных данных, позволяющих различить эти подходы.

Проверить гипотезу физики смогли на релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) в Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне, штат Нью-Йорк. Установка состоит из двух кольцевых вакуумных каналов с общей длиной окружности около 4 км и сверхпроводящих магнитов, которые разгоняют тяжелые ионы до скоростей, близких к скорости света. Коллаборация STAR использует детектор для изучения столкновений частиц и кварк-глюонной плазмы — состояния вещества, существовавшего на ранних этапах развития Вселенной.

В экспериментах физики исследовали столкновения фотонов с ядрами золота, а также периферические и лобовые столкновения тяжелых ионов. Они отслеживали барионное число протонов в событиях, где частицы распадались, и анализировали его перенос отдельно от электрического заряда. Результаты во всех исследованных случаях совпадали с предсказаниями модели барионного узла: характер переноса барионного числа и расстояние, на которое оно перемещалось, не соответствовали ожиданиям простой кварковой модели. Особенно примечательно, что барионное число переносилось легче, чем электрический заряд. Согласно резюме авторов работы, это указывает на то, что кварки сами по себе не могут полностью объяснить наблюдаемое поведение, и что существенную роль играет связанная с ними глюонная структура.

Авторы связывают полученные результаты не только с устройством протона, но и с более широкой «проблемой происхождения преобладания материи над антиматерией во Вселенной». Новые измерения предоставляют экспериментальную поддержку теории, существующей уже несколько десятилетий, однако сами по себе не раскрывают всю природу этого дисбаланса. Дальнейшие эксперименты должны проверить наблюдаемое поведение барионного числа и помочь определить, какие еще свойства протонов связаны с их скрытой глюонной структурой.