Данные столкновений на RHIC предоставляют новые доказательства существования «барионного моста»

18 августа, международная группа физиков, проанализировав данные ядерных столкновений детектора STAR на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), представила убедительные доказательства того, что барионное число может переноситься не непосредственно кварками, а «барионным мостом», образованным глюонами внутри протона. Соответствующая статья опубликована в журнале Science.

Valerie A. Lentz, Брукхейвенская национальная лаборатория

Барионы, включая протоны и нейтроны, обычно считаются состоящими из трех кварков. В существующих представлениях барионное число рассматривается как равномерно распределенное между тремя кварками. В то же время внутри протона существуют глюоны, являющиеся переносчиками сильного взаимодействия. Согласно квантовой хромодинамике, глюоны могут образовывать внутри протона структуру, напоминающую Y-образный «барионный узел» или «глюонный мост», однако эта структура долгое время не имела прямых экспериментальных подтверждений.

Исследовательская группа обратила внимание на постоянно наблюдаемое явление в экспериментах по столкновениям на RHIC: в области, перпендикулярной направлению пучка столкновения, количество зарегистрированных барионов превышало ожидаемое. Если объяснять это в рамках традиционной модели, это означало бы, что все три кварка каждого сталкивающегося протона должны «остановиться» в столкновении, а их энергия затем преобразуется в рождение новых частиц. Однако, сравнив наблюдаемое количество барионов с перераспределением заряда в различных ядерных столкновениях, исследователи обнаружили, что количество барионов, образовавшихся в столкновениях, примерно вдвое превышает ожидаемое значение, основанное на измерении заряда покоящихся кварков.

На основе этого команда предложила альтернативное объяснение: кварки несут электрический заряд, а мостовая структура, образованная глюонами, заряда не имеет. При высоких энергиях пучка глюоны внутри протона постоянно расщепляются и размножаются, при этом доля энергии, переносимая отдельным глюоном, постепенно снижается; напротив, кварки не размножаются таким же образом, и их энергетический вклад остается относительно стабильным. Следовательно, барионный мост, состоящий из глюонов, может останавливаться в столкновениях легче, чем три кварка внутри протона.

Согласно этой модели, когда барионный мост останавливается в зоне столкновения, кварки могут продолжать движение вдоль направления коллайдера. Поскольку кварки и глюоны не могут существовать по отдельности, они быстро связываются с другими частицами: кварки могут образовывать мезоны с антикварками, а глюонный мост может притягивать из вакуума три новых кварка и образовывать новые барионы. В реальных ядерных столкновениях, когда сталкиваются ядра, содержащие большое количество протонов и нейтронов, образуются тысячи новых частиц; эксперименты показывают, что чем больше частиц образуется в столкновении, тем более выраженным является наблюдаемый избыток барионов.

Авторы статьи считают, что данные, накопленные на RHIC в период с 2000 по 2026 год, лучше согласуются с моделью, в которой барионное число переносится глюонным мостом, чем с традиционной интерпретацией, согласно которой барионное число переносится кварками. Тем не менее, исследователи также подчеркивают, что полученные результаты требуют независимой проверки другими группами. Если последующие исследования подтвердят этот вывод, это будет способствовать углублению понимания физическим сообществом сохранения барионного числа, сильного взаимодействия и механизмов формирования материи в ранней Вселенной.