Понад 50 років фізики шукали відповідь – новий експеримент змінив уявлення про матерію

У фізиці елементарних частинок є просте на перший погляд припущення: баріонне число частинок на кшталт протона чи нейтрона визначається трьома валентними кварками, з яких вони складаються. Про це пише Sciencealert.

Де насправді "зберігається" баріонне число?

Однак нове дослідження показало, що ця картина може бути занадто спрощеною. Результати експериментів свідчать на користь ідеї, запропонованої ще у 1970-х роках, згідно з якою баріонне число пов'язане не безпосередньо з кварками, а з особливою структурою глюонного поля – так званим баріонним вузлом.

Дослідження опубліковане в журналі Science. Його провела міжнародна команда фізиків STAR Collaboration, яка аналізувала дані зіткнень частинок, отримані на Релятивістському колайдері важких іонів RHIC у Брукхейвенській національній лабораторії у США.

Протони є найлегшими баріонами, а їхня стабільність пов'язана із законом збереження баріонного числа. Жодного випадку розпаду протона досі не спостерігали.

Баріонне число також допомагає розрізняти матерію та антиматерію. Тому питання про те, де саме воно "зберігається" всередині баріона, має значення далеко за межами дослідження внутрішньої структури протона.

Згідно з традиційною моделлю, баріонне число несуть три валентні кварки. У протоні це два верхні кварки та один нижній кварк, а в нейтроні – один верхній і два нижні. Але існує інша гіпотеза. Вона передбачає наявність так званого баріонного вузла – Y-подібної структури, утвореної глюонним полем.

Глюони є безмасовими переносниками сильної взаємодії. Саме вони забезпечують зв'язок між кварками та фактично "склеюють" їх у баріони.

Ідея баріонного вузла з'явилася ще в 1970-х роках. Проблема полягала в тому, що фізики довгий час не мали способу експериментально чітко розрізнити дві теорії. "Три кінці баріонного вузла з'єднані з валентними кварками, тому для більшості фізичних процесів неможливо розрізнити, чи несуть баріонне число вузол, чи валентні кварки", – пояснюють автори дослідження.

Саме тому жодна з цих картин раніше не отримала однозначного експериментального підтвердження.

Як фізики перевіряли цю теорію?

Щоб розібратися в питанні, дослідники звернулися до даних зіткнень частинок на RHIC. Цей прискорювач у Брукхейвенській національній лабораторії в Нью-Йорку вже завершив роботу, але накопичені ним дані продовжують використовувати для нових досліджень.

Команда STAR проаналізувала результати двох типів експериментів – фотоядерних зіткнень та зіткнень ізобарних ядер. Після цього отримані результати порівняли з кількома комп'ютерними моделями, які описують поведінку частинок за надвисоких енергій.

Особливо важливими стали ізобарні зіткнення. У таких експериментах стикаються ядра атомів із однаковою кількістю нуклонів, але різним електричним зарядом.

У цьому випадку дослідники використовували ядра рутенію та цирконію. Такий експеримент дозволяє розділити два параметри, які зазвичай рухаються разом. Валентні кварки несуть електричний заряд, тоді як баріонний вузол електричного заряду не має. Тому різниця в тому, як поводяться баріонне число та електричний заряд після зіткнення, може показати, яка саме структура переносить баріонне число.

Результат виявився важливим для прихильників моделі баріонного вузла. Дослідники виявили, що баріони можуть переміщуватися далі крізь щільну та надзвичайно енергійну область зіткнення, ніж електричний заряд.

Це можна пояснити тим, що валентні кварки, які несуть заряд, сильніше взаємодіють із середовищем і сповільнюються. Баріонний вузол, який не має електричного заряду, може проходити крізь цю область інакше.

Іншими словами, результати експерименту краще узгоджуються зі сценарієм, у якому баріонне число пов'язане з глюонним полем. Автори дослідження зазначають, що отримані результати, разом із попередніми даними STAR про зіткнення золота із золотом за різних енергій, не підтримують просту картину, в якій усе баріонне число несуть лише валентні кварки.

Що показали зіткнення золота з фотонами?

Другий тип експерименту дозволив дослідникам подивитися на перенесення баріонного числа з іншого боку.

Йдеться про фотоядерні зіткнення, під час яких фотони взаємодіють із ядрами золота. Ядра золота розганялися до швидкостей, близьких до швидкості світла. Коли позитивно заряджене ядро рухається з такою швидкістю, навколо нього виникає потужне електромагнітне поле. Його можна описувати як своєрідну хмару віртуальних або "квазі-реальних" фотонів.

Фізик Кентського державного університету та учасник STAR Collaboration Чжанбу Сюй раніше пояснював цей процес так:

Коли іони рухаються майже зі швидкістю світла, навколо золотого ядра є безліч фотонів, які рухаються разом із ним, наче хмара.

Ці фотони взаємодіють із ядром золота. Оскільки фотон не має баріонного числа, будь-яке чисте баріонне число, виявлене серед продуктів зіткнення, зрештою має походити від золотого ядра.

Отримані результати також виявилися ближчими до передбачень теорії Редже, яка враховує баріонний вузол, ніж до моделей, заснованих лише на валентних кварках.

Чому це важливо для розуміння Всесвіту?

Результати не означають, що фізики остаточно довели існування баріонного вузла як носія баріонного числа. Дослідження дає сильні докази на користь цієї моделі, але прямого та повністю контрольованого вимірювання самого механізму поки немає.

На це звернув увагу фізик Університету штату Міссісіпі Веньлян Лі в супровідному матеріалі Perspective, опублікованому в Science. За його словами, нові вимірювання вказують на можливий внесок глюонів у перенесення баріонного числа, але сам механізм ще потребує додаткового дослідження.

Водночас відповідь на це питання може мати значно ширші наслідки. Фізики досі не мають повного пояснення, чому у Всесвіті матерії набагато більше, ніж антиматерії.

Якби матерія та антиматерія виникли в однакових кількостях і поводилися абсолютно симетрично, вони могли б взаємно знищитися, залишивши після себе значно менш структурований Всесвіт.

Саме тому механізми, які визначають поведінку баріонів і сильної взаємодії, можуть бути пов'язані з одним із фундаментальних питань космології. "Визначення того, чи переносять баріонне число кварки або глюонне поле, може допомогти зрозуміти, як сильна взаємодія між субатомними частинками організовує стабільну матерію і що спричинило дисбаланс між матерією та антиматерією у Всесвіті", – пише Лі.

Які експерименти будуть далі?

Фізики планують продовжити перевірку цієї ідеї за допомогою нових експериментів зіткнення частинок.

Одним із головних майбутніх інструментів стане Electron-Ion Collider – електрон-іонний колайдер, який планують створити в Брукхейвенській національній лабораторії. Він дозволить дослідникам отримати нові дані про внутрішню структуру протонів і ядер та перевірити різні теоретичні моделі.

Автори роботи наголошують, що необхідно продовжувати дослідження як цієї, так і альтернативних теорій. Остаточно життєздатною можна буде вважати лише ту модель, яка одночасно пояснюватиме всі спостережувані явища. Поки що, за оцінкою дослідників, саме модель баріонного вузла залишається єдиною, яка якісно узгоджується з отриманими результатами.