Более 50 лет физики искали ответ – новый эксперимент изменил представления о материи

В физике элементарных частиц существует простое на первый взгляд предположение: барионное число частиц, таких как протон или нейтрон, определяется тремя валентными кварками, из которых они состоят. Об этом пишет Sciencealert.

Где на самом деле "сохраняется" барионное число?

Однако новое исследование показало, что эта картина может быть слишком упрощенной. Результаты экспериментов свидетельствуют в пользу идеи, выдвинутой еще в 1970-х годах, согласно которой барионное число связано не напрямую с кварками, а с особой структурой глюонного поля – так называемым барионным узлом.

Исследование опубликовано в журнале Science. Его провела международная команда физиков STAR Collaboration, которая анализировала данные столкновений частиц, полученные на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории в США.

Протоны являются самыми легкими барионами, а их стабильность связана с законом сохранения барионного числа. Ни одного случая распада протона до сих пор не наблюдалось.

Барионное число также помогает различать материю и антиматерию. Поэтому вопрос о том, где именно оно "сохраняется" внутри бариона, имеет значение далеко за пределами исследования внутренней структуры протона.

Согласно традиционной модели, барионное число несут три валентных кварка. В протоне это два верхних кварка и один нижний кварк, а в нейтроне – один верхний и два нижних. Но существует и другая гипотеза. Она предполагает наличие так называемого барионного узла – Y-образной структуры, образованной глюонным полем.

Глюоны – это безмассовые переносчики сильного взаимодействия. Именно они обеспечивают связь между кварками и фактически "склеивают" их в барионы.

Идея барионного узла появилась еще в 1970-х годах. Проблема заключалась в том, что у физиков долгое время не было способа экспериментально четко различить две теории. "Три конца барионного узла соединены с валентными кварками, поэтому для большинства физических процессов невозможно различить, кто несет барионное число – узел или валентные кварки", – объясняют авторы исследования.

Именно поэтому ни одна из этих моделей ранее не получила однозначного экспериментального подтверждения.

Как физики проверяли эту теорию?

Чтобы разобраться в этом вопросе, исследователи обратились к данным столкновений частиц на RHIC. Этот ускоритель в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке уже завершил работу, но накопленные им данные продолжают использовать для новых исследований.

Команда STAR проанализировала результаты двух типов экспериментов – фотоядерных столкновений и столкновений изобарных ядер. После этого полученные результаты сравнили с несколькими компьютерными моделями, описывающими поведение частиц при сверхвысоких энергиях.

Особенно важными оказались изобарные столкновения. В таких экспериментах сталкиваются ядра атомов с одинаковым количеством нуклонов, но разным электрическим зарядом.

В данном случае исследователи использовали ядра рутения и циркония. Такой эксперимент позволяет разделить два параметра, которые обычно изменяются синхронно. Валентные кварки несут электрический заряд, тогда как барионный узел электрического заряда не имеет. Поэтому разница в том, как ведут себя барионное число и электрический заряд после столкновения, может показать, какая именно структура переносит барионное число.

Результат оказался важным для сторонников модели барионного узла. Исследователи обнаружили, что барионы могут проходить дальше через плотную и чрезвычайно энергичную область столкновения, чем электрический заряд.

Это можно объяснить тем, что валентные кварки, несущие заряд, сильнее взаимодействуют с окружающей средой и замедляются. Барионный узел, не имеющий электрического заряда, может проходить через эту область иначе.

Иными словами, результаты эксперимента лучше согласуются со сценарием, в котором барионное число связано с глюонным полем. Авторы исследования отмечают, что полученные результаты, наряду с предыдущими данными STAR о столкновениях золота с золотом при различных энергиях, не подтверждают простую картину, в которой все барионное число несут только валентные кварки.

Что показали столкновения золота с фотонами?

Второй тип эксперимента позволил исследователям взглянуть на перенос барионного числа с другой стороны.

Речь идет о фотоядерных столкновениях, во время которых фотоны взаимодействуют с ядрами золота. Ядра золота разгонялись до скоростей, близких к скорости света. Когда положительно заряженное ядро движется с такой скоростью, вокруг него возникает мощное электромагнитное поле. Его можно описать как своеобразное облако виртуальных или "квазиреальных" фотонов.

Физик Кентского государственного университета и участник STAR Collaboration Чжанбу Сюй ранее объяснял этот процесс так:

Когда ионы движутся почти со скоростью света, вокруг золотого ядра находится множество фотонов, которые движутся вместе с ним, словно облако.

Эти фотоны взаимодействуют с ядром золота. Поскольку фотон не имеет барионного числа, любое чистое барионное число, обнаруженное среди продуктов столкновения, в конечном итоге должно происходить от ядра золота.

Полученные результаты также оказались ближе к предсказаниям теории Редже, учитывающей барионный узел, чем к моделям, основанным исключительно на валентных кварках.

Почему это важно для понимания Вселенной?

Результаты не означают, что физики окончательно доказали существование барионного узла как носителя барионного числа. Исследование дает веские доказательства в пользу этой модели, но прямого и полностью контролируемого измерения самого механизма пока нет.

На это обратил внимание физик Университета штата Миссисипи Вэньлянь Ли в сопроводительной статье Perspective, опубликованной в журнале Science. По его словам, новые измерения указывают на возможный вклад глюонов в перенос барионного числа, но сам механизм еще требует дополнительного исследования.

В то же время ответ на этот вопрос может иметь гораздо более широкие последствия. Физики до сих пор не имеют полного объяснения, почему во Вселенной материи гораздо больше, чем антиматерии.

Если бы материя и антиматерия возникли в одинаковых количествах и вели себя абсолютно симметрично, они могли бы взаимно уничтожиться, оставив после себя значительно менее структурированную Вселенную.

Именно поэтому механизмы, определяющие поведение барионов и сильного взаимодействия, могут быть связаны с одним из фундаментальных вопросов космологии. "Определение того, переносят ли барионное число кварки или глюонное поле, может помочь понять, как сильное взаимодействие между субатомными частицами организует стабильную материю и что вызвало дисбаланс между материей и антиматерией во Вселенной", – пишет Ли.

Какие эксперименты будут проводиться дальше?

Физики планируют продолжить проверку этой идеи с помощью новых экспериментов по столкновению частиц.

Одним из главных будущих инструментов станет Electron-Ion Collider – электрон-ионный коллайдер, который планируется создать в Брукхейвенской национальной лаборатории. Он позволит исследователям получить новые данные о внутренней структуре протонов и ядер и проверить различные теоретические модели.

Авторы работы подчеркивают, что необходимо продолжать исследования как этой, так и альтернативных теорий. Окончательно жизнеспособной можно будет считать только ту модель, которая одновременно будет объяснять все наблюдаемые явления. Пока что, по оценке исследователей, именно модель барионного узла остается единственной, которая качественно согласуется с полученными результатами.