Результаты работы детектора STAR на Релятивистском тяжелом ионном коллайдере (RHIC) заставляют ученых пересмотреть базовые знания о том, что делает протон протоном. Новые данные указывают на то, что главную роль в переносе одного из фундаментальных свойств материи играют не только кварки, но и частицы-посредники — глюоны.
Доказательства были получены в ходе экспериментов на RHIC — установке Брукхейвенской национальной лаборатории, финансируемой Министерством энергетики США. Коллайдер завершил свою работу в начале 2026 года. Согласно публикации ученых, барионное число (свойство, отличающее вещество от антивещества) может быть связано с Y-образным узлом из глюонов, который связывает три основных кварка внутри протона. Если эта гипотеза подтвердится, она опровергнет устоявшееся мнение, согласно которому за барионное число отвечают исключительно сами кварки.
Почему сохранение барионов определяет нашу реальность
Понимание того, кто именно несет барионное число, имеет значение далеко за пределами чистой теории. При столкновениях частиц на RHIC общее количество барионов (протонов и нейтронов) обязано оставаться неизменным до и после удара. Этот же закон работает в масштабах космоса.
«С момента Большого взрыва суммарное число протонов и нейтронов остается постоянным. Мы до сих пор не знаем природы этого закона сохранения. Это одна из загадок мироздания, напрямую связанная с тем, почему во Вселенной материи гораздо больше, чем антиматерии», — отмечает Николь Льюис, физик проекта STAR из Университета Райса.
Соблюдение этого правила также объясняет поразительную живучесть атомов. Считается, что срок жизни одиночного протона превышает возраст самой Вселенной. Именно эта стабильность позволяет формироваться атомным ядрам и существовать любой физической материи, которую мы видим вокруг.
Сложный внутренний мир элементарной частицы
Традиционная модель описывает протон просто: три валентных кварка, каждый из которых несет по одной трети барионного числа. Однако реальное устройство микромира куда запутаннее.
«В упрощенной картине внутри протона есть только три кварка, — пояснил Томми Цанг, бывший участник группы STAR, ныне работающий в Аргоннской национальной лаборатории. — Но если заглянуть глубже, там обнаруживается огромное облако глюонов, которые постоянно взаимодействуют друг с другом, а также пары кварков и антикварков, рождающиеся прямо из вакуума. Это невероятно сложная динамическая система».
Теория квантовой хромодинамики успешно описывает сильное взаимодействие, но для объяснения результатов некоторых столкновений физикам приходилось вводить дополнительные допущения.
Неожиданный избыток вещества
Внимание исследователей привлек странный факт: детектор стабильно фиксировал большее число барионов, чем антибарионов, вылетающих перпендикулярно направлению сталкивающихся пучков. Само по себе преобладание материи над антиматерией ожидаемо, так как эксперимент начинался с ядер обычного вещества. Озадачивало другое — место появления этих лишних частиц.
Если бы барионное число принадлежало только трем кваркам, для создания такого избытка сбоку все три кварка должны были бы полностью остановиться в центре столкновения, превратиться в энергию и заново собраться в новые частицы, летящие вбок. Физики предположили иную причину.
Чтобы проверить догадку, ученые сопоставили выход барионов с распределением электрического заряда в тех же событиях. Электрический заряд четко показывает, сколько кварков остановилось в точке удара. Выяснилось, что барионов образовалось почти вдвое больше, чем могли обеспечить остановившиеся кварки. Модели показывали явную нехватку источников барионного числа.
Как узел из клея становится частицей
Ученые пришли к выводу, что недостающее число скрыто в трехконтактном соединении глюонов. Механизм выглядит следующим образом: когда два разогнанных протона сталкиваются, их внутренние структуры деформируются. Глюонный переход, образующий ту самую Y-образную связь между кварками, обладает меньшей скоростью и энергией, чем сами кварки. В результате этот узел останавливается в зоне удара значительно легче, чем быстро летящие вперед составляющие части.
Остановленная энергия узла преобразуется в массу новых барионов, разлетающихся в стороны. Сами же валентные кварки, лишившись связи, продолжают движение вдоль оси пучка. Притвиш Трайбеди из Брукхейвенской лаборатории уточнил, что при сверхвысоких энергиях протон наполняется огромным числом глюонов. Импульс распределяется между ними, поэтому отдельный глюонный узел становится еще более легкой мишенью для остановки, тогда как кварки сохраняют основную долю движения.
После разрыва связей свободные кварки не могут долго находиться в изоляции. Они мгновенно объединяются с другими частицами из вакуума. Например, чтобы сформировать новый барион, остановившийся глюонный узел словно магнит притягивает к себе три новых кварка.
Новая картина строения мира
Анализ показал четкую закономерность: события, порождающие максимальное число вторичных частиц, демонстрировали и самый высокий процент боковых барионов. Это служит весомым аргументом в пользу существования барионного соединения.
«Наши исследования ставят под сомнение старую догму о том, что барионное число делится на троих и переносится только кварками, — заключает Ронгронг Ма, физик из лаборатории Брукхейвен. — Это понимание меняет наш взгляд на структуру материи. Мы начинаем видеть истинного виновника стабильности той Вселенной, в которой мы существуем».
Результаты работы ученых опубликованы в журнале Science.
Изображение: Валери А. Ленц/Национальная лаборатория Брукхейвена
