Во Вселенной многие системы самопроизвольно переходят в состояния с меньшей энергией. Тяжёлые частицы распадаются на более лёгкие, но у этой цепочки есть своеобразный предел: протон.
Протон — самый лёгкий барион, то есть частица, состоящая из кварков. Его распад никогда не наблюдали, и эта необычайная устойчивость связана с сохранением так называемого барионного числа — характеристики, которая в том числе помогает различать материю и антиматерию.
Долгое время считалось, что барионное число несут три валентных кварка, из которых состоят протоны и нейтроны.
Но новые результаты экспериментов дают серьёзные основания подозревать, что всё устроено иначе.
Исследование, опубликованное в журнале Science, поддерживает идею, предложенную ещё в 1970-х годах. Согласно ей, барионное число может быть связано не непосредственно с тремя кварками, а с особой Y-образной структурой внутри частицы — так называемым барионным узлом.
Его ветви образованы глюонами — безмассовыми частицами, которые обеспечивают сильное взаимодействие между кварками.
Проверить эту гипотезу оказалось чрезвычайно трудно. Три конца барионного узла соединены с валентными кварками, поэтому в большинстве процессов невозможно определить, что именно переносит барионное число — сами кварки или связанный с ними узел.
Разделить эти два варианта физикам помогли столкновения частиц при огромных энергиях.
Большая международная группа исследователей изучила данные Релятивистского коллайдера тяжёлых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории. Учёные сравнили результаты нескольких типов столкновений с компьютерными моделями, основанными на разных представлениях о внутреннем устройстве барионов.
Особенно важными оказались столкновения ядер рутения и циркония.
Валентные кварки несут электрический заряд, а барионный узел электрически нейтрален. Поэтому, если именно кварки переносят барионное число, его движение после столкновения должно быть тесно связано с переносом электрического заряда.
Однако эксперимент показал другое.
Барионное число распространялось через плотную и высокоэнергетическую область столкновения дальше, чем электрический заряд. Это соответствует сценарию, в котором его переносит электрически нейтральный барионный узел, а не только заряженные валентные кварки.
Дополнительную проверку провели с помощью фотоядерных столкновений.
При движении ядер золота со скоростью, близкой к скорости света, вокруг них возникает мощное электромагнитное поле. Его можно описывать как облако почти реальных фотонов. Эти фотоны взаимодействуют с другими ядрами золота.
Такой эксперимент особенно удобен, потому что сам фотон не несёт барионного числа. Следовательно, любое барионное число, обнаруженное после столкновения, должно происходить из ядра золота.
И эти данные снова оказались ближе к моделям с барионным узлом, чем к моделям, в которых барионное число переносят только валентные кварки.
Авторы работы считают, что совокупность новых результатов вместе с предыдущими экспериментами серьёзно ослабляет простую кварковую картину.
Но окончательной точкой это пока не является.
Физик Вэньлян Ли из Университета штата Миссисипи, комментируя исследование в Science, отметил, что измерения действительно указывают на возможную роль глюонного поля в переносе барионного числа, однако напрямую сам механизм пока не измерен.
Именно поэтому вопрос остаётся фундаментальным.
Если удастся окончательно выяснить, что переносит барионное число — кварки или глюонная структура, — это поможет лучше понять, как сильное взаимодействие организует стабильную материю.
В более далёкой перспективе такие исследования могут оказаться связаны и с одной из крупнейших загадок современной физики: почему во Вселенной возник огромный перевес материи над антиматерией.
Проверять новую картину будут в следующих экспериментах, в том числе на строящемся электрон-ионном коллайдере Брукхейвенской национальной лаборатории.
Авторы подчёркивают, что рассматривать нужно и существующие, и альтернативные объяснения. Но пока именно модель барионного узла остаётся единственной, которая качественно согласуется со всей совокупностью наблюдений.
Исследование опубликовано в журнале Science.
