Fyzici z kolaborace STAR předložili důkazy, že baryonové číslo – kvantová vlastnost rozlišující částice látky, jako jsou protony a neutrony, od jejich antičástic – nemusí v protonu nést jednotlivé kvarky. Podle studie zveřejněné v časopise Science může být spjato především s takzvaným baryonovým neboli gluonovým uzlem. Jde o konfiguraci gluonových polí ve tvaru Y, která propojuje tři valenční kvarky protonu.
Proton se ve zjednodušeném kvarkovém modelu skládá ze tří valenčních kvarků: dvou kvarků up a jednoho kvarku down. Každému z nich se tradičně připisuje třetina baryonového čísla, takže proton má celkem hodnotu jedna. Kvarky ovšem nejsou v protonu osamocené. Působí mezi nimi silná interakce, jejímž zprostředkovatelem jsou gluony, a uvnitř částice se navíc neustále objevují a zanikají páry dalších kvarků a antikvarků. Kvantová chromodynamika, teorie silné interakce, proto popisuje proton jako výrazně složitější objekt než pouhou trojici kvarků.
Alternativní představa o Y‑tvarovaném gluonovém uzlu vznikla už v 70. letech minulého století. V roce 1996 pak fyzik Dmitri Kharzeev navrhl, že by právě tento uzel mohl nést baryonové číslo. Dosud však nebylo možné experimentálně rozhodnout, zda je jeho nositelem uzel, nebo valenční kvarky. Obě možnosti totiž v mnoha běžně měřitelných vlastnostech protonu vedou ke stejným výsledkům.
Porovnání přenosu náboje a baryonového čísla
Autoři nové práce využili srážky jader v Relativistic Heavy Ion Collideru v Brookhaven National Laboratory. Zkoumali, jak se při srážce přesune baryonové číslo z původních rychle letících jader do oblasti kolem středu srážky, označované jako střední rapidita. Rapidita je veličina používaná v částicové fyzice k popisu pohybu částic podél směru svazků. V této oblasti detektor STAR dlouhodobě zaznamenává převahu baryonů nad antibaryony.
Klíčem k analýze bylo srovnání transportu baryonového čísla s transportem elektrického náboje. Valenční kvarky nesou nejen baryonové číslo, ale také elektrický náboj. Pokud by byly jedinými nositeli baryonového čísla, mělo by množství baryonů dopravených do středu srážky souviset s naměřeným přesunem náboje. V takzvaných izobarických srážkách, tedy při srážkách jader ruthenia-96 a zirkonia-96, vědci porovnali poměr čistého baryonového čísla a rozdílu elektrického náboje. Obě jádra mají stejný počet nukleonů, ale ruthenium obsahuje 44 protonů, zatímco zirkonium 40.
Naměřený poměr byl vyšší, než předpovídá scénář, v němž baryonové číslo přenášejí jen valenční kvarky. Tým současně využil dvě další nezávislé cesty: měření rozdílu mezi produkcí protonů a antiprotonů v interakcích fotonů se zlatými jádry a dříve zveřejněná data ze srážek zlatých jader při různých energiích. Ve všech těchto porovnáních byly pozorované rozdělení čistého počtu protonů či baryonů v souladu s účinnějším transportem baryonového čísla, než očekává jednoduchý kvarkový obraz.
Proč by se mohl zastavit gluonový uzel
Interpretace STAR vychází z toho, že při vysoké energii se uvnitř protonu množí gluony a hybnost se rozděluje mezi velké množství těchto částic. Gluonový uzel by proto mohl nést jen malou část hybnosti původního protonu a při srážce by se snáze zastavil v centrální oblasti než tři rychlé valenční kvarky. Uzel by se pak mohl spojit s nově vzniklými kvarky a vytvořit baryon, zatímco původní valenční kvarky by pokračovaly blíže směru původního svazku a podílely se na vzniku jiných částic, například mezonů.
Studie tedy nepředstavuje přímé pozorování gluonového uzlu uvnitř jednotlivého protonu. Její závěr je nepřímý: několik typů měření hůře odpovídá modelům, které přisuzují baryonové číslo výhradně valenčním kvarkům, a naopak podporuje model s gluonovým uzlem. Autoři proto hovoří o znevýhodnění tradičního výkladu, nikoli o definitivním uzavření otázky. Další testy může přinést připravovaný Electron-Ion Collider v Brookhavenu, který má umožnit podrobnější studium struktury protonů a jader srážkami elektronů s ionty.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.