С помощью ускорителей исследователи воспроизводят процессы, происходившие в первые моменты существования Вселенной, чтобы разобраться в фундаментальных вопросах физики, таких как преобладание материи над антиматерией, структура кварков и сохранение барионного числа. Недавний анализ столкновений на коллайдере RHIC предоставил весомые доказательства того, что барионное число переносится не кварками, а глюонной перемычкой внутри протонов.

Барионы и закон сохранения барионного числа

Барионы — элементарные частицы, состоящие из трёх кварков, к ним относятся протоны и нейтроны. Для этих частиц эмпирически установлен закон сохранения барионного числа: количество барионов в системе определяется разностью числа кварков и антикварков, составляющих античастицы. Хотя этот закон не имеет строгого теоретического обоснования, он подтверждается всеми наблюдаемыми физическими процессами и связан с тем, что во Вселенной материи больше, чем антиматерии.

Роль глюонов и глюонной перемычки

Внутри барионов, помимо кварков, присутствуют глюоны — переносчики сильного взаимодействия. Согласно квантовой хромодинамике, глюоны в протоне формируют Y-образную структуру, называемую барионной (глюонной) перемычкой. До недавнего времени существование этой структуры не было подтверждено экспериментально.

Современные представления предполагают, что барионное число равномерно распределено между тремя кварками. Однако с 1990-х годов выдвигалась гипотеза, что носителем барионного числа может быть именно глюонная перемычка. Проверка этой гипотезы затруднена, поскольку наблюдать кварки и глюоны по отдельности крайне сложно.

Экспериментальные данные RHIC

В результате экспериментов на детекторе STAR в релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) международная группа физиков представила данные, указывающие на то, что Y-образная перемычка выступает носителем барионного числа. Эти результаты были опубликованы в научном журнале Science.

В ходе столкновений на коллайдере фиксировался избыток барионов, вылетающих перпендикулярно направлению сталкивающихся пучков. Для объяснения этого явления потребовалось бы, чтобы все три кварка одного протона останавливались, и их энергия шла на образование новых частиц. Однако расчёты показали, что на результат влияют и другие процессы: кварки несут электрический заряд, а перемычка — нет. Сравнение барионного числа, наблюдаемого при различных типах ядерных столкновений, с перераспределением электрических зарядов показало, что столкновения генерируют вдвое больше барионов, чем можно было бы ожидать по измерениям зарядов остановившихся кварков.

Механизм образования барионов

При высоких энергиях глюоны внутри протона делятся и размножаются, каждый из них несёт всё меньшую долю энергии протона, тогда как вклад кварков остаётся постоянным. По данным команды детектора STAR, глюонная барионная перемычка становится энергетически лёгкой и останавливается проще, чем три кварка внутри протона. После остановки перемычки кварки продолжают движение в коллайдере. Кварки и глюоны не существуют по отдельности и быстро объединяются с другими частицами: каждый кварк может соединиться с антикварком, образуя мезон, а глюонная перемычка притягивает три новых кварка из вакуума и формирует с ними барион. В реальности процесс сложнее: столкновение ядер, состоящих из сотен протонов и нейтронов, приводит к образованию тысяч новых частиц. Чем больше частиц возникает, тем выше наблюдаемый избыток барионов.

Сравнение моделей и дальнейшие исследования

Анализ экспериментальных данных показал, что они лучше согласуются с моделью глюонной перемычки, чем с моделью, в которой барионное число переносят кварки. Данные, собранные на коллайдере с 2000 по 2026 год, рассматриваются как убедительное подтверждение существования барионной перемычки. Однако для окончательного вывода необходимы независимые подтверждения от других исследовательских групп.