Протон состоит из трёх валентных кварков, но важнейшая часть его квантовой «биографии» может храниться вовсе не в них. Эксперимент STAR показал, что барионное число протона, по новым данным, связано с Y-образной конфигурацией глюонного поля, соединяющей три кварка. Результат противоречит привычной модели, где каждый валентный кварк несёт треть барионного числа.
Барионное число относится к квантовым характеристикам частиц. У протона и нейтрона оно равно 1, у антипротона и антинейтрона — минус 1. Кварки имеют барионное число 1/3, антикварки — минус 1/3. Поэтому три валентных кварка протона вместе дают единицу. Физиков давно интересует более глубокий вопрос: действительно ли при столкновениях барионное число перемещается вместе с кварками или его перенос определяет другая часть внутренней структуры протона.
Главным кандидатом на эту роль оказался барионный узел. Физики называют так Y-образную конфигурацию глюонного поля: три ветви сходятся в одной точке и связывают три валентных кварка. Глюоны переносят сильное взаимодействие , благодаря которому кварки остаются связанными внутри протонов и нейтронов. Гипотеза о барионном узле появилась ещё в 1970-х годах, но экспериментально отделить перенос барионного числа глюонной конфигурацией от переноса валентными кварками долго не удавалось.
Проверить две модели помогли столкновения атомных ядер на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов RHIC. Установка STAR регистрирует тысячи частиц, рождающихся после каждого столкновения, и позволяет восстановить направления их движения. Новый метод анализа дал результат, который плохо согласовывался с моделью переноса барионного числа валентными кварками. Физики после этого отдельно проверили предсказания модели барионного узла.
Различие между двумя вариантами особенно заметно после лобового столкновения частиц. Валентные кварки исходного протона несут большую продольную скорость и могут продолжить движение вдоль пучковой трубы. Если барионное число жёстко связано с кварками, его основная часть должна перемещаться в том же направлении.
Барионный узел ведёт себя иначе. При столкновении Y-образная глюонная конфигурация может затормозиться значительно сильнее кварков, которые продолжат движение вдоль пучка. Энергия остановившейся конфигурации уходит на рождение новых барионов. В результате протоны, нейтроны и другие барионы появляются ближе к центральной области столкновения и разлетаются в поперечных направлениях, а не следуют за исходными валентными кварками вдоль оси пучка. Именно такое поведение предсказывает модель барионного узла.
Данные STAR показали избыток барионов, движущихся поперёк направления исходных пучков. Распределение трудно объяснить картиной, где барионное число просто разделено между тремя валентными кварками. Гораздо лучше измерения согласуются с вариантом, при котором барионное число переносит Y-образная конфигурация глюонного поля.
Никакой новой элементарной частицы внутри протона исследование при этом не вводит. Барионный узел нельзя поставить в один ряд с кварком или глюоном. Физики описывают определённую конфигурацию глюонного поля, которая связывает три кварка и, согласно новым измерениям, способна переносить барионное число независимо от их движения.
Разница принципиальна для понимания внутреннего устройства барионов. В традиционной картине происхождение барионного числа напрямую связывают с тремя валентными кварками: каждый даёт 1/3, поэтому протон получает единицу. Альтернативная модель переносит акцент на структуру глюонного поля между кварками. Тогда движение барионного числа при столкновении может заметно отличаться от движения электрического заряда, который по-прежнему связан с кварками. Именно такое различие позволяет экспериментально проверить две модели.
Барионное число важно далеко за пределами физики ускорителей. Законы природы с очень высокой точностью сохраняют баланс между барионами и антибарионами в наблюдаемых процессах, однако современная физика пока не объясняет, почему после ранних этапов эволюции Вселенной вещества осталось значительно больше, чем антивещества. Новая работа не решает проблему барионной асимметрии , но уточняет более базовый вопрос: какая часть внутренней структуры протона переносит барионное число.