Вопреки общепринятой теории, барионное число протона заключено в глюонных узлах, а не в кварках

Международная группа ученых эксперимента STAR, работающая на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории, представила эмпирические свидетельства того, что барионный заряд протона локализован не в трех валентных кварках, а в специфической Y-образной структуре глюонных полей — так называемом барионном узле (baryon junction). Статья с результатами исследования опубликована в журнале Science.

Общепринятая теория описывает протон как триаду кварков, каждому из которых приписывается треть барионного числа — важнейшего квантового параметра, служащего маркером материи в противовес антиматерии. Тем не менее внутреннее пространство частицы наполнено динамично флуктуирующим морем глюонов и короткоживущих кварк-антикварковых пар, поэтому точная локализация барионного заряда долгое время оставалась предметом дискуссий без прямого опытного подтверждения.

Концепция глюонной связки зародилась еще в 1970-х годах, а в 1996 году ее сформулировали как механизм переноса барионного числа в ходе высокоэнергетических взаимодействий. В рамках этой гипотезы три глюонные струны сходятся в единый Y-образный центр, непосредственно аккумулирующий барионный заряд. При жестких столкновениях такой узел способен резко затормозить в центральной зоне и спровоцировать рождение вторичных барионов, пока высокоскоростные валентные кварки беспрепятственно продолжают движение вперед.

Исследователи STAR подошли к задаче через масштабные ядро-ядерные и фотон-ядерные столкновения различных систем, включая изобарные ядра. Экспериментаторы детально фиксировали пространственное распределение рождающихся барионов и их антиподов.

Ключевым аргументом в пользу новой модели послужило аномальное количество барионов, разлетающихся поперек линии столкновения пучков. Если бы барионное число принадлежало исключительно трем кваркам, их выход строго коррелировал бы с переносом электрического заряда. На практике же поток барионов фактически в два раза превзошел расчетные значения, выведенные из зафиксированного баланса зарядов, что существенно разошлось со стандартными предсказаниями.

Дополнительные подтверждения принес анализ распределения протонов по скоростям при фотон-ядерных реакциях: оно продемонстрировало заметно меньшую асимметрию, чем требуют модели с локализацией барионного заряда на кварках. Кроме того, образование гиперонов в центральной области практически не зависело от кваркового аромата, что закономерно для глюонного узла, топология которого индифферентна к типу кварков.

«Упрощенная кварковая модель сводит протон лишь к трем кваркам, — отмечает Томми Цанг из Аргоннской национальной лаборатории. — Однако в действительности частица представляет собой сложнейшую систему: помимо кварков, там непрерывно взаимодействует океан глюонных полей и возникающих из вакуума кварк-антикварковых пар».

Полученные выводы имеют первостепенное значение для фундаментальной физики. Барионное число лежит в основе стабильности наблюдаемой материи и связано с глобальной космологической загадкой: преобладанием вещества над антивеществом во Вселенной после Большого взрыва. Уточнение механизма локализации барионного числа помогает приблизиться к пониманию истоков этой космической асимметрии.

Коллайдер RHIC завершил свою эксплуатацию в начале 2026 года, поэтому дальнейшие изыскания будут строиться на анализе накопленного массива данных и экспериментах на перспективном Электрон-ионном коллайдере (EIC), предназначенном для глубинного зондирования структуры адронов. Если глюонная природа барионного заряда подтвердится в широком энергетическом спектре, научному сообществу предстоит скорректировать базовую модель нуклона: его определяющий квантовый параметр окажется сосредоточен не в самих элементарных «кирпичиках», а в конфигурации связывающих их силовых полей.

Источник: iXBT