Исследование тяжёлых ионных столкновений в США показывает: протоны и нейтроны, возможно, не просто «три кварка»

Коллаборация STAR на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) Брукхейвенской национальной лаборатории США недавно, на основе данных по столкновениям тяжёлых ионов, выдвинула предположение, что барионы, такие как протоны и нейтроны, могут не быть просто составлены из трёх валентных кварков, а их барионное число, возможно, связано с “барионными связями” в глюонном поле. Соответствующие результаты опубликованы в журнале Science.

В традиционной модели валентных кварков каждому кварку приписывается барионное число 1/3, поэтому барионы, такие как протоны и нейтроны, состоящие из трёх кварков, имеют барионное число +1. Однако эта модель не является фундаментальным требованием квантовой хромодинамики (КХД). Ещё в 1970-х годах в теоретической среде были предложены иные объяснения; в 1996 году Дмитрий Харзеев предложил модель, согласно которой барионное число не обязательно переносится самими кварками, а может быть сосредоточено в Y-образных точках соединения, формируемых глюонным полем, то есть в “барионных связях”.

Коллаборация STAR в этот раз сосредоточилась на сравнении различных предсказаний модели барионных связей и модели валентных кварков в столкновениях тяжёлых ионов. Исследователи проанализировали лобовые столкновения ядер золота, а также процессы деления ядер, вызванные обменом виртуальными фотонами при столкновениях на малых расстояниях. Результаты показали, что с ростом энергии пучка количество чистых рассеянных барионов действительно уменьшается, но скорость снижения ниже, чем предсказывает существующая модель валентных кварков. Это явление более согласуется с картиной, согласно которой “барионные связи рассеиваются легче, чем валентные кварки”.

Исследование также сравнило фрагменты, образующиеся при столкновениях ядер циркония-96 и рубидия-96. Оба имеют одинаковое число нуклонов и одинаковое барионное число, но разное число протонов, а следовательно, и разный заряд. Если бы и барионное число, и заряд в основном перемещались вместе с кварками, результаты двух типов столкновений можно было бы достаточно хорошо предсказать в определённом энергетическом диапазоне. Однако эксперимент показал, что величина переноса барионного числа значительно превышает величину переноса заряда, что дополнительно подтверждает вывод о том, что “кварки не несут одновременно барионное число и заряд”.

Ядерный физик Ансельм Воссен, не участвовавший в этом исследовании, отметил, что этот результат согласуется с общим пониманием того, что внутренняя структура протона гораздо сложнее, чем “три валентных кварка”. Он указал, что такие вопросы, как спин и масса протона, уже давно указывают на существование более богатой динамической структуры внутри протона. Исследовательская группа надеется в будущем продолжить анализ данных других экспериментов по столкновениям и ожидает, что электрон-ионный коллайдер предоставит более точные результаты детектирования барионов.