Фізики 50 років шукають відповідь: де насправді ховається матерія

Експеримент на колайдері дав нові докази на користь ідеї, яка понад пів століття залишалася лише теорією. Вчені вважають, що баріонне число може бути пов’язане не лише з кварками, а й із глюонним полем усередині матерії.

Про це пише ScienceAlert.

У фізиці елементарних частинок давно існує проста картина будови баріонів. Протон складається з двох верхніх і одного нижнього кварка, а нейтрон — з одного верхнього та двох нижніх. Вважається, що саме три валентні кварки визначають їхнє баріонне число.

Однак ще в 1970-х роках фізики запропонували інше пояснення. Згідно з ним, баріонне число може бути пов’язане з особливою структурою глюонного поля — так званим баріонним вузлом.

Глюони є безмасовими переносниками сильної взаємодії. Вони забезпечують зв’язок між кварками та утримують їх усередині баріонів.

Проблема полягала в тому, що протягом десятиліть дві моделі було надзвичайно складно відрізнити експериментально. Три кінці гіпотетичного баріонного вузла з’єднані з валентними кварками, тому під час більшості фізичних процесів неможливо безпосередньо визначити, що саме переносить баріонне число.

Нове дослідження провела міжнародна команда STAR Collaboration. Фізики проаналізували дані зіткнень частинок, отримані на Релятивістському колайдері важких іонів RHIC у Брукхейвенській національній лабораторії США.

Дослідники розглянули два типи експериментів — фотоядерні зіткнення та зіткнення ізобарних ядер. Результати порівняли з комп’ютерними моделями, які описують поведінку частинок за надвисоких енергій.

Особливо показовими стали зіткнення ядер рутенію та цирконію. Вони мають однакову кількість нуклонів, але різний електричний заряд.

Це дозволило фізикам окремо простежити поведінку електричного заряду та баріонного числа. Валентні кварки несуть електричний заряд, тоді як баріонний вузол, за теорією, його не має.

Після аналізу вчені виявили, що баріони можуть проходити крізь щільну й надзвичайно енергійну область зіткнення далі, ніж електричний заряд.

Один із можливих механізмів полягає в тому, що валентні кварки, які несуть електричний заряд, сильніше взаємодіють із середовищем і сповільнюються. Глюонне поле, яке не має електричного заряду, може поводитися інакше.

Саме це краще узгоджується з моделлю баріонного вузла. Додатково команда врахувала попередні результати STAR зі зіткнень ядер золота за різних енергій, які також не підтримують просту картину, де все баріонне число переносять лише валентні кварки.

Інший експеримент стосувався фотоядерних зіткнень. У ньому фотони взаємодіяли з ядрами золота, розігнаними майже до швидкості світла.

Позитивно заряджене ядро, що рухається з такою швидкістю, створює навколо себе потужне електромагнітне поле, яке можна описувати як хмару віртуальних або квазіреальних фотонів.

Оскільки фотон не має баріонного числа, будь-яке чисте баріонне число серед продуктів такого зіткнення має походити від самого ядра золота.

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

Втім, фізики не заявляють, що баріонний вузол уже остаточно доведений. Отримані дані дають сильні докази на користь цієї моделі, але прямого вимірювання самого механізму поки немає.

Фізик Університету штату Міссісіпі Веньлян Лі у супровідному матеріалі в журналі Science зазначив, що нові результати вказують на можливу роль глюонів у перенесенні баріонного числа. Водночас цей механізм потребує подальшої перевірки.

Відповідь може мати значення не лише для розуміння будови протона. Фізики досі намагаються пояснити, чому у Всесвіті матерії набагато більше, ніж антиматерії.

Якщо матерія та антиматерія виникали б у однакових кількостях і поводилися абсолютно симетрично, вони могли б взаємно знищитися. Тому механізми, які визначають поведінку баріонів і сильної взаємодії, можуть бути пов’язані з одним із фундаментальних питань походження Всесвіту.

Для подальшої перевірки моделі фізики планують використовувати нові експерименти зіткнення частинок. Одним із ключових інструментів має стати Electron-Ion Collider у Брукхейвенській національній лабораторії.

Він дозволить детальніше досліджувати внутрішню структуру протонів і атомних ядер та перевіряти різні теоретичні пояснення.

Поки що дослідники наголошують, що остаточно підтвердити можна буде лише ту модель, яка пояснить усі спостережувані явища. За нинішніми результатами саме модель баріонного вузла найкраще узгоджується з отриманими даними.