Фізики знайшли сильні докази ролі глюонів у зв’язуванні матерії

14 серпня 2026 р. 20:33

14 серпня 2026 р. 20:33

У центрі кожного атома є протони, і саме їхня дивовижна стабільність визначає, як виглядає наш Всесвіт. Новий аналіз експериментів на колайдері RHIC дає одні з найпереконливіших на сьогодні доказів того, що ключова властивість протона — так зване баріонне число — може переноситися не окремими кварками, а особливим Y-подібним глюонним «вузлом», який скріплює баріони. Про це пише команда колаборації STAR у журналі Science, на який звертає увагу ScienceAlert .

У фізиці елементарних частинок протон — найнижча «сходинка» для баріонів: це найлегший із них, і його розпад ніколи не спостерігався. Стійкість протона пов’язана з законом збереження баріонного числа, яке відрізняє матерію від антиматерії.

Традиційно вважалося, що баріонне число «причеплене» до трьох валентних кварків, з яких складені протон і нейтрон. Але ще в 1970‑х роках була висунута альтернативна ідея: це число переноситься Y-подібною глюонною структурою — баріонним з’єднанням, або junction, тоді як кварки є лише «кінцями» цього вузла.

Півстоліття суперечки: кварки проти глюонного вузла

Обидві картини десятиліттями залишалися майже нерозрізнюваними. Три «рукави» баріонного з’єднання під’єднані до валентних кварків, тому в більшості процесів неможливо було сказати, хто саме несе баріонне число — самі кварки чи глюонний вузол. Жоден варіант не мав однозначного експериментального підтвердження.

Щоби розв’язати цю дилему, колаборація STAR проаналізувала різні типи високoенергетичних зіткнень на Релятивістському колайдері важких іонів (RHIC) у національній лабораторії Брукгейвен у США. Дослідники розглянули два ключові режими: ізобарні ядерні зіткнення та фотоядерні зіткнення, а отримані результати порівняли з кількома комп’ютерними моделями.

Як зіткнення ядер виявляють «носія» баріонного числа

В ізобарних зіткненнях стикаються два ядра з однаковою масою, але різною зарядовою конфігурацією. У цьому експерименті порівнювали ядра рутенію та цирконію. Фізики вимірювали, як далеко в зоні зіткнення переноситься сумарне баріонне число порівняно із сумарним електричним зарядом.

Кварки мають електричний заряд, а баріонне з’єднання — ні. Якщо саме валентні кварки несуть баріонне число, то баріони й заряд мають «подорожувати» крізь гарячу, густу область зіткнення схожим чином. Якщо ж баріонне число переносить глюонний вузол, який електрично нейтральний, його рух має відрізнятися від переносу заряду.

Дані показали, що баріони просуваються крізь зону зіткнення далі, ніж електричний заряд. Це натякає, що баріонне число пов’язане саме з глюонним з’єднанням, яке менше гальмується середовищем, ніж заряджені кварки.

Фотоядерні зіткнення: «чистий» тест для баріонного числа

Другий тип експериментів — фотоядерні зіткнення — дає інший, більш «очищений» погляд на перенесення баріонного числа. Тут вивчали взаємодію фотонів (частинок світла) з ядрами золота, що рухаються майже зі швидкістю світла.

На таких швидкостях позитивно заряджені ядра золота створюють потужне електромагнітне поле, яке можна описати як хмару віртуальних, майже реальних фотонів, що «супроводжують» ядро. Ці умовні фотони стикаються з ядром золота, а всі баріони в уламках після зіткнення повинні походити саме від цього ядра, адже фотон сам не несе баріонного числа.

Отже, будь-яке чисте баріонне число, зафіксоване після події, має бути пов’язане з тим, як організована внутрішня структура золота — зокрема, де саме «сидить» його баріонне число. Результати фотоядерних зіткнень, як і ізобарних, узгодилися з розрахунками в рамках теорії Редже, яка природніше включає баріонне з’єднання, ніж моделі, що покладаються лише на валентні кварки.

У сукупності ці дані, підкріплені попередніми вимірюваннями зіткнень золота із золотом на різних енергіях, суттєво послаблюють просту «кваркову» картину. На думку дослідників, саме глюонне баріонне з’єднання найкраще пояснює спостережуване перенесення баріонного числа.

Що це означає для матерії та антиматерії

У супровідному огляді в Science фізик Веньлянь Лі (Wenliang Li) з Університету штату Міссісіпі зазначає, що нові вимірювання свідчать на користь внеску глюонів у перенесення баріонного числа, але ще не дають прямого, повністю контрольованого вимірювання самого механізму. Потрібні додаткові експерименти та точніші моделі.

Попри це, результати можуть стати важливою ланкою в поясненні асиметрії між матерією та антиматерією у ранньому Всесвіті. Розуміння того, чи переносять баріонне число кварки або глюонне поле, допомагає з’ясувати, як сильна взаємодія впорядковує стабільну матерію та що могло призвести до переваги матерії над антиматерією.

У майбутньому дослідники планують продовжити такі дослідження на ще потужнішому Електрон-іонному колайдері, що будується в Брукгейвені. Нові теорії й моделі, підкреслює команда, мають одночасно пояснювати всі наявні дані, і наразі лише рамка з баріонним з’єднанням лишається якісно узгодженою з усіма спостереженнями.

Наука