Протоны и нейтроны составляют практически всю обычную материю вокруг нас, однако даже устройство этих фундаментальных строительных блоков природы продолжает преподносить сюрпризы. Новые результаты эксперимента STAR на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC указывают, что глюоны могут играть значительно более важную роль в сохранении одного из фундаментальных свойств материи — барионного числа.
В традиционном представлении протон состоит из трех основных, или валентных, кварков. Его барионное число равно единице, поэтому обычно считается, что каждый из трех кварков несет по одной трети этого значения. Новые данные позволяют предположить более сложную картину: барионное число может быть связано с особой Y-образной конфигурацией глюонных полей, соединяющих кварки.
Глюоны являются переносчиками сильного взаимодействия. Именно они обеспечивают связь кварков внутри протонов и нейтронов. В реальности протон поэтому гораздо сложнее привычной картинки из трех шариков: внутри постоянно взаимодействуют глюоны, валентные кварки и возникающие квантовые пары кварк-антикварк.
Особая структура, называемая барионным или глюонным соединением, была теоретически предложена еще в 1970-х годах. В 1996 году физик Дмитрий Харзеев предположил, что именно такой узел, а не три отдельных валентных кварка, может быть настоящим носителем барионного числа. Экспериментальная проверка этой идеи потребовала столкновений атомных ядер при огромных энергиях.
RHIC ускорял ядра почти до скорости света и сталкивал их друг с другом. В результате возникали экстремальные условия, в которых большая часть первоначальной энергии превращалась в тысячи новых частиц. Детектор STAR позволял физикам исследовать направление их движения, электрический заряд и другие характеристики.
Исследователей давно интересовал необычный избыток барионов, вылетающих приблизительно перпендикулярно направлению сталкивающихся пучков. Сам факт преобладания барионов над антибарионами неудивителен, поскольку исходные ядра уже состоят из обычной материи. Загадкой оказалось количество барионного числа, перенесенного в центральную область столкновения.
Если барионное число действительно находится только в трех валентных кварках, для объяснения наблюдений эти кварки должны были бы одновременно потерять значительную часть своего продольного движения и оказаться в центре столкновения. Проверить такой сценарий помог электрический заряд.
Валентные кварки несут электрический заряд, тогда как глюоны электрически нейтральны. Поэтому ученые сопоставили количество барионов, возникающих в центральной области, с перераспределением электрического заряда. Измерения показали примерно вдвое больше барионов, чем ожидалось исходя из количества остановившихся кварков.
Это расхождение и стало главным аргументом в пользу глюонного механизма. В рамках предложенной модели Y-образное соединение глюонов можно остановить при столкновении значительно легче, чем три быстро движущихся валентных кварка.
При огромных энергиях внутри протона возрастает количество глюонов. Каждый из них несет относительно небольшую долю общего импульса, тогда как валентные кварки сохраняют значительную часть движения вперед. В результате при столкновении глюонный узел может задержаться в центральной области, а кварки продолжат движение вдоль первоначального направления.
Дальнейший процесс выглядит еще необычнее. Кварки и глюонные структуры не могут свободно существовать изолированно из-за свойства сильного взаимодействия, известного как конфайнмент. Поэтому система быстро перестраивается. Улетевшие кварки соединяются с другими частицами, а оставшийся глюонный узел способен связаться с тремя новыми кварками и сформировать новый барион.
Таким образом, первоначальные кварки могут улететь далеко от места столкновения, тогда как барионное число остается в центральной области и проявляется уже в совершенно новых частицах. Это объясняет, почему детектор наблюдает больше барионов, чем предсказывает простая модель остановки трех кварков.
Результат имеет значение далеко за пределами физики ускорителей. Барионное число связано с одной из фундаментальных загадок природы — устойчивостью обычной материи. Протон исключительно стабилен, а его возможное время жизни значительно превышает современный возраст Вселенной. Благодаря этому атомные ядра могут существовать миллиарды лет.
Сохранение барионного числа связано и с более глубокой космологической проблемой. После Большого взрыва материя каким-то образом получила преимущество перед антиматерией. Почему Вселенная не превратилась почти полностью в излучение после взаимной аннигиляции частиц и античастиц, остается одним из центральных вопросов современной физики.
Новые результаты не решают загадку асимметрии материи и антиматерии, но способны изменить представление о том, как именно барионное число хранится и переносится внутри сильно взаимодействующей материи. Вместо трех независимых долей, закрепленных за кварками, перед физиками возникает более коллективная картина, в которой фундаментальное квантовое свойство связано со структурой глюонного поля.
Исследование также напоминает, насколько условна школьная картинка протона как трех кварков. На квантовом уровне протон представляет собой динамическую систему из кварков, антикварков и огромного количества глюонов. Теперь появляются данные, что именно организация этого сложного внутреннего поля может отвечать за одно из свойств, благодаря которым обычная материя остается стабильной.
- Понравилось: 24
А затем «Добавить на главный экран». 