Физики получили новые данные о внутреннем устройстве протона — одной из ключевых частиц обычного вещества. Протон считается самым лёгким барионом, состоящим из кварков, при этом его распад до сих пор не наблюдался. Устойчивость частицы связана с сохранением барионного числа, которое отличает материю от антиматерии.
Долгое время считалось, что барионное число переносят 3 валентных кварка, входящие в состав протона и нейтрона. Однако результаты нового исследования указывают, что эту роль может выполнять так называемый барионный узел Y-образной формы. Он образуется безмассовыми глюонами, удерживающими кварки внутри бариона. Работа опубликована в журнале Science.
Проверить конкурирующие представления учёные смогли благодаря столкновениям частиц на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории США. Коллаборация STAR изучила данные фотоядерных и изобарных ядерных столкновений, а затем сопоставила их с вычислительными моделями. В опытах с изобарами сталкивались ядра рутения и циркония с одинаковым массовым числом.
Валентные кварки имеют электрический заряд, тогда как барионный узел электрически нейтрален. Исследователи установили, что барионы проходят через плотную область столкновения дальше, чем электрический заряд. Это может означать, что барионное число переносится узлом, который меньше замедляется по сравнению с заряженными кварками.
Фотоядерные столкновения позволили отдельно проследить перенос барионного числа при взаимодействиях фотонов с ядрами золота. При движении ядер золота со скоростью, близкой к скорости света, возникает электромагнитное поле, которое действует как квазиреальный фотон. Поскольку такой фотон не несёт барионного числа, обнаруженные после столкновения барионы связывают с ядром золота.
Авторы отмечают, что новые измерения не дают прямого и полностью контролируемого подтверждения механизма переноса барионного числа. Вместе с тем полученные данные хуже согласуются с моделью валентных кварков и лучше — с подходом, учитывающим барионный узел. Дальнейшие исследования могут помочь уточнить, как сильное взаимодействие формирует устойчивое вещество и почему во Вселенной наблюдается различие между материей и антиматерией.
