Барионное число протона оказалось спрятано в глюонном узле, а не в кварках — вопреки классической картине
Эксперимент STAR на коллайдере RHIC показал, что Y-образная структура из глюонов, соединяющая кварки, может быть истинным носителем ключевого квантового числа протона
Коллаборация STAR, работающая на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории США, получила экспериментальные указания на то, что барионное число протона может определяться не тремя валентными кварками, а особой Y-образной конфигурацией глюонных полей — так называемой барионной перемычкой (baryon junction). Результаты опубликованы в журнале Science.
В стандартной картине протон состоит из трёх кварков, каждый из которых несёт одну треть барионного числа — фундаментальной характеристики, отличающей вещество от антивещества. Однако внутри протона, помимо трёх валентных кварков, существует непрерывно флуктуирующее множество глюонов, кварк-антикварковых пар, и до сих пор не было экспериментальных доказательств того, где именно хранится барионное число.
Идея глюонного узла была предложена ещё в 1970-х, а в 1996 году развита как возможный механизм переноса барионного числа в столкновениях высоких энергий. Согласно этой модели, три глюонные струны, идущие от кварков, сходятся в одной точке, образуя Y-образный узел, который сам по себе несёт барионное число. В экстремальных условиях столкновения этот узел может «остановиться» и дать начало новым барионам, в то время как быстрые валентные кварки улетают вперёд.
Команда STAR не пыталась заглянуть внутрь одиночного протона, а поставила эксперимент на масштабе ядерных столкновений. Анализировались столкновения различных систем, включая изобарные ядерные и фотонно-ядерные. Регистрировалось, где именно после столкновений рождаются барионы и их античастицы.
Изображение сгенерировано: Nano Banana
Главной «уликой» стал неожиданный избыток барионов, вылетающих перпендикулярно оси столкновения. Если бы барионное число было заключено только на трёх кварках, то количество этих барионов должно было бы коррелировать с электрическим зарядом, переносимым теми же кварками. Измерения показали обратное: барионный выход примерно вдвое превышал предсказания, основанные на зарегистрированном зарядовом дисбалансе. Соотношение оказалось значительно выше ожидаемого.
Другой признак обнаружился в распределении протонов по скорости в фотонно-ядерных столкновениях. Оно оказалось менее асимметричным, чем предполагали бы модели с барионным числом на валентных кварках. А выход гиперонов в средней области продемонстрировал слабую чувствительность к аромату кварков — это тоже ожидаемо, если главную роль играет глюонный узел, не различающий типы кварков.
«В наивной кварковой модели внутри протона есть три кварка и больше ничего, — пояснил Томми Цанг из Аргоннской национальной лаборатории. — Но если присмотреться, то там не только три кварка, а множество глюонов, связывающих их, и пары кварков-антикварков, рождающихся из вакуума. Так что протон — это очень сложный объект».
Важность открытия выходит за рамки одной лаборатории. Барионное число связано со стабильностью обычного вещества и с одной из фундаментальных загадок космологии: почему после Большого взрыва осталось больше материи, чем антиматерии. Понимание того, где именно хранится барионное число, приближает к разгадке этого дисбаланса.
RHIC прекратил работу в начале 2026 года, так что будущие проверки будут опираться на уже накопленные данные, а также на новый ускоритель — Электрон-ионный коллайдер (EIC), который проектируется специально для изучения внутренней структуры протонов и ядер. Если глюонный механизм подтвердится в широком диапазоне энергий, то физикам придётся пересмотреть базовое описание протона: его ключевая характеристика окажется «зашитой» не в строительные блоки, а в силовые поля между ними.