Команда Университета науки и технологий Китая участвует в эксперименте STAR и обнаружила возможное существование «Y-образного» глюонного узла внутри нуклона

Университет науки и технологий Китая совместно с Кентским государственным университетом США, Брукхейвенской национальной лабораторией и другими организациями сыграл ведущую роль в международной экспериментальной группе STAR. Благодаря точным измерениям чистого числа барионов и чистого электрического заряда в экспериментах по столкновению высокоэнергетических атомных ядер была обнаружена необычная структура внутри нуклона, что может перевернуть фундаментальные представления о внутренней структуре нуклона. Ранним утром 14 августа этот результат был опубликован в журнале Science в режиме онлайн под названием “Tracking the baryon number with nuclear collisions”.

Нуклоны являются фундаментальными частицами, составляющими материальный мир, более 99% массы видимой материи во Вселенной переносится нуклонами. Понимание внутренней структуры нуклона имеет чрезвычайно важное значение для понимания фундаментального состава материального мира и фундаментальных взаимодействий. Широко распространено мнение, что нуклоны состоят из кварков (включая антикварки) и глюонов. Кварки несут электрический заряд +2/3 или -1/3 и барионное число 1/3, антикварки несут заряд и барионное число, противоположные кваркам, а глюоны не несут ни заряда, ни барионного числа. Профессор Тан Цзэбо из исследовательской группы по физике столкновений тяжёлых ионов Университета науки и технологий Китая и его сотрудники с помощью точных экспериментальных измерений обнаружили, что внутри нуклона необходима фундаментальная структура, несущая барионное число, но не несущая ни заряда, ни цветового заряда, что представляет собой серьёзный вызов вышеупомянутой наивной кварковой модели, используемой для описания внутренней структуры нуклона.

Данное исследование получило самосогласованные результаты с двух сторон. Экспериментальная группа сначала измерила степень замедления нуклонов в быстро движущихся атомных ядрах. Степень замедления быстро движущихся нуклонов тесно связана с фундаментальной структурой нуклона и его взаимодействиями. Международная экспериментальная группа STAR провела точные измерения степени замедления нуклонов в столкновениях высокоэнергетических атомных ядер и дополнительно провела измерения степени замедления нуклонов в фотон-ядерных столкновениях. Экспериментальные результаты существенно отличаются от теоретических расчётов, основанных на наивной кварковой модели внутренней структуры нуклона, но согласуются с теоретическими расчётами, основанными на «Y-образном» глюонном узле, состоящем из трёх соединённых глюонов. Главное отличие этого глюонного узла от одиночного глюона заключается в том, что он несёт одну единицу барионного числа и может транспортировать барионное число, что способствует замедлению барионов.

Одновременно экспериментальная группа точно измерила отношение числа замедленных барионов к числу зарядов. В наивной кварковой модели только кварки несут барионное число; измеряя общее число замедленных барионов, можно получить общее число замедленных кварков и, следовательно, ожидаемое число зарядов. Измеренное экспериментально число зарядов составило лишь половину от ожидаемого, что указывает на то, что внутри нуклона, помимо кварков и глюонов, необходима фундаментальная структура, несущая барионное число, но не несущая электрического заряда. Традиционные фундаментальные компоненты нуклона — кварки и глюоны — не обладают вышеуказанными характеристиками, тогда как «Y-образный» глюонный узел обладает этой характеристикой.

Результаты обоих типов экспериментальных исследований не подтверждают картину внутренней структуры нуклона в рамках наивной кварковой модели, что указывает на существование необычной структуры внутри нуклона. В настоящее время глюонный узел является единственной теорией, способной самосогласованно описать результаты данных систематических экспериментальных исследований. Данное исследование может открыть новую главу в физике элементарных частиц.

Исследовательская группа по физике столкновений тяжёлых ионов Университета науки и технологий Китая получила финансирование от Национального фонда естественных наук Китая, Министерства науки и технологий, Китайской академии наук и Университета науки и технологий Китая. Профессор Тан Цзэбо из этой группы и его аспиранты Ли Ян (уже выпустился) и Люй Вэньди сыграли ключевую роль в данном экспериментальном исследовании.