289
Новий аналіз даних детектора STAR на Релятивістському колайдері важких іонів (RHIC) у Брукгейвенській національній лабораторії вказує, що глюони – частинки, які «склеюють» кварки у протонах, – можуть відігравати центральну роль у збереженні баріонного числа. Як повідомляє Newswise Science News, результати зіткнень високоенергетичних частинок свідчать, що баріонний заряд пов’язаний не просто з трьома валентними кварками протона, а з Y-подібною «баріонною зв’язкою» глюонів, що їх сполучає.
Баріонне число – це одна з ключових квантових характеристик частинок на кшталт протонів і нейтронів. Тривалий час вважалося, що протон із баріонним числом +1 ділить його порівну між трьома своїми валентними кварками, і кожен несе по +1/3. Дослідження колаборації STAR, опубліковане в журналі Science, ставить під сумнів цю схему й на користь альтернативної ідеї, висунутої ще у 1990-х роках: баріонне число може переноситися не кварками, а спеціальною конфігурацією глюонів.
Баріонна зв’язка глюонів замість «простого» протона
У наївній кварковій моделі протон – це три кварки (u, u, d) і більше нічого. Але детальніший погляд показує значно складнішу картину: крім валентних кварків, усередині присутня густа «хмара» глюонів, а також пари кварк–антикварк, які народжуються і зникають із вакууму. Усе це описується квантовою хромодинамікою (QCD) – теорією сильної взаємодії.
Ще в 1970-х роках теоретики передбачили структуру, яку назвали баріонною зв’язкою або глюонною зв’язкою: Y-подібну конфігурацію силових ліній глюонів, що з’єднують три валентні кварки в протоні. У 1996 році Дмитро Харзев (Dmitri Kharzeev) зі Стоуні-Брукського університету й Брукгейвенської лабораторії припустив, що саме ця глюонна зв’язка може бути справжнім носієм баріонного числа, а не самі кварки. Команда STAR розробила стратегію перевірки цієї гіпотези за допомогою різних типів зіткнень на RHIC.
Чому збереження баріонного числа так важливе
На рівні зіткнень ядер на RHIC збереження баріонного числа означає, що загальна кількість баріонів (протонів і нейтронів та інших тричастинкових об’єктів) до і після зіткнення залишається незмінною. Але ця ідея поширюється й на весь Всесвіт: від Великого вибуху сума баріонів (у першу чергу протонів та нейтронів) загалом зберігається в часі.
Це пов’язано з однією з великих космологічних загадок – чому у Всесвіті так багато матерії й так мало антиматерії. На більш «земному» рівні баріонне число пояснює надзвичайну стабільність протона: розрахунки вказують, що його час життя перевищує вік Всесвіту. Саме завдяки цьому атомні ядра не розпадаються, і звична нам матерія може існувати.
Несподіваний надлишок баріонів у детекторі STAR
Під час зіткнень ядер на RHIC, розігнаних до швидкостей, близьких до швидкості світла, вивільняється колосальна енергія, яка перетворюється на тисячі нових частинок. У детекторі STAR фізики постійно спостерігають надлишок баріонів у напрямках, перпендикулярних до променя зіткнення – так званий нетто-баріонний заряд подалі від лінії пучка.
Той факт, що з’являється більше баріонів, ніж антибаріонів, не дивує: початкові ядра складаються з матерії. Але саме розподіл цих баріонів у просторі змусив дослідників засумніватися в тому, що баріонне число повністю «сидить» на валентних кварках. За наївною моделлю потрібно, щоб усі три кварки одного протона повністю зупинилися в центральній області зіткнення, перетворилися в енергію, а потім у нові баріони, що розлітаються під кутами до променя. Спостереження STAR виявилися значно «щедрішими» на баріони, ніж дозволяє таке припущення.
Порівняння баріонного числа й електричного заряду
Ключ до перевірки прихованого механізму полягає в тому, що валентні кварки несуть не лише баріонне число, а й електричний заряд. Фізики STAR порівняли спостережуваний нетто-баріонний заряд у різних типах зіткнень на RHIC із перерозподілом електричних зарядів у тих самих подіях.
Вимірювання електричного заряду, що виходить перпендикулярно до напряму зіткнення, дозволяє оцінити, скільки кварків насправді «зупинилося» й було перетворено на нові частинки. Аналіз показав: баріонів утворюється приблизно вдвічі більше, ніж можна пояснити кількістю таких зупинених кварків, які видно за їхнім зарядом. У рамках моделей, побудованих на QCD, це означає, що самих лише валентних кварків недостатньо, аби породити спостережуваний надлишок баріонів.
Отже, виникає питання: звідки беруться «зайві» баріони? За інтерпретацією команди STAR, відповідь пов’язана з глюонами – і насамперед із баріонною зв’язкою глюонів, яка зазвичай утримує валентні кварки разом.
Як глюонна зв’язка перетворюється на нові баріони
За сценарієм, який описують дослідники, під час зіткнень протонів (або ядер) на RHIC Y-подібна глюонна зв’язка, що з’єднує три кварки, зупиняється значно легше, ніж самі кварки. Її енергія перетворюється на нові баріони, які вилітають убік від променя, тоді як три кварки продовжують летіти далі вздовж траєкторії пучка.
Щоб зрозуміти цю «розв’язку», корисно уявити поведінку протона при дуже високих енергіях. Баріонна зв’язка існує завжди, навіть коли протон розганяють майже до швидкості світла. Але при зростанні енергії всередині протона множиться кількість глюонів: вони розщеплюються й породжують нові. Чим більше глюонів, тим меншу частку загального імпульсу протона несе кожен окремий глюон, включно з тими, що формують зв’язку, тоді як валентні кварки зберігають основну частину поступального руху.
У момент зіткнення це означає, що «повільніша» глюонна зв’язка з трьома «відгалуженнями» легше зупиняється й перетворюється на нові частинки, ніж швидкі кварки. Крім того, зупинити один об’єкт – зв’язку – простіше, ніж три окремі кварки, тому така взаємодія статистично більш імовірна.
Оскільки вільні кварки й глюони не можуть існувати поодинці, вони миттєво поєднуються з іншими частинками. У спрощеній картині кожен із трьох кварків, що продовжує летіти по променю, може «підібрати» антикварк і перетворитися на мезон (двочастинкову частинку), тоді як глюонна зв’язка, немов Y-подібний магніт, витягує з вакууму три нові кварки й стає новим баріоном. На практиці процес набагато складніший: у типовому зіткненні, коли ядра містять близько сотні протонів і сотні нейтронів, утворюються тисячі частинок, і до 99% початкової енергії переходить у нові об’єкти.
Чим більше частинок народжується в події, тим вищим виявляється надлишок баріонів у центральній області (так званій «мідрапідності») порівняно з очікуваннями наївної кваркової картини. Той факт, що значна частина цих баріонів вилітає перпендикулярно до променя, є сильним аргументом на користь існування баріонної зв’язки глюонів.
Автори роботи підкреслюють, що їхні результати ставлять під сумнів давню ідею про те, що баріонне число просто ділиться між трьома кварками. Натомість нова інтерпретація пропонує розглядати глюони в особливій конфігурації як основних носіїв і «транспортерів» баріонного числа у високоенергетичних зіткненнях. Це змінює наше уявлення про структуру матерії на найглибшому рівні й допомагає краще зрозуміти фундаментальні властивості частинок, з яких побудований Всесвіт.
Глюони можуть переносити баріонний заряд у протонах з’явилася спочатку на Цікавості.
