Протон оказался не просто «тройкой кварков»: физики нашли свидетельства скрытой структуры внутри него
Физики из коллаборации STAR получили новые экспериментальные свидетельства в пользу теории, согласно которой кварки внутри протона удерживает особая глюонная структура — барионный узел (baryon junction). Работа также помогает разобраться в происхождении одного из фундаментальных свойств протонов — барионного числа, которое отличает материю от антиматерии и связано с одним из главных вопросов современной физики: почему наблюдаемая Вселенная почти полностью состоит из материи, хотя в ранней Вселенной материя и антиматерия должны были возникать вместе.
Протоны и нейтроны относятся к барионам — составным частицам, из которых «составлены» атомные ядра. Внутри них находятся кварки, а взаимодействие между кварками обеспечивают глюоны — переносчики сильного взаимодействия. Долгое время протон можно было упрощённо представить как систему из 3 кварков, однако существовала и более сложная модель, в которой эти кварки соединяет барионный узел — конфигурация глюонного поля. В таком описании свойства протона определяются не только кварками, но и структурой поля, связывающего их.
Источник: RHIC
Особенно важен вопрос о барионном числе — сохраняющемся квантовом числе, характеризующем барионы. Для него учитывается число кварков и антикварков: в рассматриваемом описании барионное число определяется как одна треть разности между количеством кварков и антикварков. Положительное значение соответствует обычной материи, отрицательное — антиматерии. Традиционная модель связывает это число непосредственно с 3 кварками протона. Альтернативная теория предполагает, что его переносит глюонное поле барионного узла. До новой работы экспериментальных данных, которые позволяли бы различить эти варианты, не было.
Проверить гипотезу физики смогли на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) в Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне, штат Нью-Йорк. Установка состоит из 2 кольцевых вакуумных каналов с общей длиной окружности около 4 км и сверхпроводящими магнитами, которые разгоняют тяжёлые ионы до скоростей, близких к скорости света. Коллаборация STAR использует детектор для изучения столкновений частиц и кварк-глюонной плазмы — состояния вещества, которое существовало на ранних этапах развития Вселенной.
В экспериментах физики изучали столкновения фотонов с ядрами золота, а также периферические и лобовые столкновения тяжёлых ионов. Они отслеживали барионное число протонов в событиях, где частицы распадались, и анализировали его перенос отдельно от электрического заряда. Результат во всех исследованных случаях согласовывался с предсказаниями модели барионного узла: характер переноса барионного числа и расстояние, на которое оно перемещалось, не соответствовали ожиданиям простой кварковой модели. Особенно показательно, 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 результат не только с устройством протона, но и с более масштабной «проблемой происхождения преобладания материи над антиматерией во Вселенной». Новые измерения дают экспериментальную опору теории, которая существует 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 ещё свойства протонов связаны с их скрытой глюонной структурой.
© iXBT
