Wyniki eksperymentu STAR w „Science”: nowe światło na strukturę protonu

Międzynarodowy zespół naukowców skupionych wokół eksperymentu STAR (Solenoidal Tracker at RHIC) uzyskał przełomowe wyniki, dzięki którym jesteśmy bliżej zrozumienia tego, co przenosi liczbę barionową – fundamentalną cechę odróżniającą materię od antymaterii. Rezultaty badań, w których uczestniczą również eksperci z Politechniki Warszawskiej, ukazały się na łamach czasopisma „Science”.

Liczba barionowa to jedna z liczb kwantowych, które pomagają opisywać właściwości cząstek materii. Barionom, takim jak protony i neutrony, przypisuje się dodatnią liczbę barionową, a ich antycząstkom – ujemną. Dzięki temu można odróżnić materię barionową od antymaterii: proton i antyproton mają przeciwne liczby barionowe, podobnie jak neutron i antyneutron. Liczba barionowa nie oznacza jednak po prostu „ilości materii” – jest cechą kwantową cząstki, która w wielu procesach fizycznych pozostaje zachowana. 

Frapująca nierównowaga materii i antymaterii 

Pojęcie to ma znaczenie znacznie wykraczające poza opis pojedynczych cząstek. Zdecydowana większość otaczającej nas widzialnej materii jest zbudowana z barionów, przede wszystkim protonów i neutronów. Jednocześnie we Wszechświecie obserwujemy wyraźną przewagę materii nad antymaterią. Dlaczego tak się stało, skoro we wczesnym Wszechświecie powinny one powstawać w podobnych ilościach? To jedno z ważnych pytań współczesnej fizyki. Zrozumienie, w jaki sposób liczba barionowa jest związana ze strukturą materii, może pomóc w lepszym poznaniu tego problemu. 

– Wyniki uzyskane przez detektor STAR przy akceleratorze RHIC sugerują, że liczba barionowa nie musi być związana wyłącznie z trzema kwarkami tworzącymi barion. Może być również „przenoszona” przez pole gluonowe, czyli specyficzną, topologiczną konfigurację gluonów, nazywaną złączem barionowym (ang. baryon junction). Innymi słowy, gluony, choć same nie mają liczby barionowej, mogą odgrywać istotną rolę w jej przenoszeniu – mówi prof. Hanna Zbroszczyk z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej, badaczka związana również z Brookhaven National Laboratory. – Odkrycie dotyczy więc samego sposobu, w jaki zbudowana jest materia. Proton czy neutron nie są bowiem prostymi, nieruchomymi „kulkami” złożonymi z trzech kwarków. W ich wnętrzu zachodzi nieustanny, niezwykle złożony proces oddziaływania kwarków i gluonów. To właśnie gluony odpowiadają za silne oddziaływanie, które wiąże kwarki ze sobą. Badania takie jak te prowadzone w STAR pozwalają sprawdzać, jak w tym dynamicznym układzie rozkładają się podstawowe własności cząstek. 

Liczba barionowa jest zachowywana w ogromnej większości znanych procesów fizycznych i jest związana z materią, z której zbudowany jest obserwowany Wszechświat. Tradycyjny model zakłada, że każdy z trzech kwarków walencyjnych tworzących barion przenosi część jego liczby barionowej. W takim obrazie liczba barionowa jest więc bezpośrednio związana z kwarkami. Alternatywna hipoteza, sformułowana już w latach 70. XX wieku, przypisuje tę rolę nielokalnej, Y-kształtnej konfiguracji pola gluonowego łączącej kwarki. Dotychczas żadna z tych koncepcji nie została potwierdzona eksperymentalnie. 

Obraz (old)

Zaskakujące „przenosiny” liczby barionowej 

Zespół STAR poszukał odpowiedzi, porównując zachowanie liczby barionowej z ładunkiem elektrycznym w różnych typach zderzeń. W RHIC naukowcy zderzają ze sobą jądra atomowe przy ogromnych energiach. W takich zderzeniach powstają warunki pozwalające badać materię na poziomie jej najbardziej podstawowych składników. Detektor STAR rejestruje powstające cząstki i na podstawie ich właściwości pozwala odtworzyć informacje o procesach zachodzących w niezwykle krótkim czasie po zderzeniu. 

– Punkt wyjścia był prosty. Jeśli za przenoszenie liczby barionowej odpowiadają przede wszystkim kwarki, powinno jej towarzyszyć przenoszenie ładunku elektrycznego – kwarki są przecież elektrycznie naładowane. Można więc potraktować ładunek elektryczny jako swego rodzaju „punkt odniesienia” i sprawdzić, czy zachowuje się on w podobny sposób jak liczba barionowa – wyjaśnia prof. Zbroszczyk. – Tymczasem pomiary STAR pokazały coś zaskakującego: liczba barionowa może być przenoszona w sposób znacznie słabiej związany z ładunkiem elektrycznym, niż wynikałoby to z prostego obrazu opartego wyłącznie na kwarkach. Wynik ten jest zgodny również z wcześniejszymi obserwacjami STAR uzyskanymi w zderzeniach jąder złota, które wskazywały na nietypowy sposób transportu liczby barionowej.

Wynik ten pasuje do obrazu, w którym istotną rolę odgrywają gluony, cząstki odpowiedzialne za oddziaływania między kwarkami. Zgodnie z przewidywaniami chromodynamiki kwantowej mogą one tworzyć szczególną, przypominającą rozgałęzienie strukturę nazywaną złączem barionowym. Taka struktura mogłaby przenosić informację o liczbie barionowej, nie przenosząc przy tym ładunku elektrycznego w taki sam sposób jak kwarki. 

Nie oznacza to jeszcze, że zagadka została rozwiązana. Wyniki STAR dostarczają ważnej wskazówki, ale nie są jeszcze ostatecznym dowodem na istnienie złącza barionowego jako nośnika liczby barionowej. Potrzebne są kolejne pomiary, które pozwolą rozstrzygnąć, czy właśnie taki mechanizm rzeczywiście odpowiada za obserwowany efekt. Ważne będzie również sprawdzenie, czy jedna teoria potrafi jednocześnie wyjaśnić wszystkie dotychczasowe obserwacje, a nie tylko pojedynczy wynik eksperymentalny. 

Odpowiedzi mogą dostarczyć przyszłe eksperymenty i pomiary prowadzone m.in. w CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility), LHC (Large Hadron Collider) oraz budowanym EIC (Electron-Ion Collider). Szczególnie EIC będzie przystosowany do szczegółowego badania struktury jąder atomowych i sposobu, w jaki rozkładają się w nich kwarki oraz gluony. Kolejne eksperymenty pozwolą więc sprawdzić, czy zaobserwowany przez STAR efekt jest rzeczywiście śladem długo poszukiwanego mechanizmu, czy też wskazuje na potrzebę innego opisu. 

Jak podkreśla prof. Zbroszczyk, wyniki zespołu STAR pokazują ważną cechę współczesnej fizyki cząstek: nawet dobrze znane pojęcia, takie jak liczba barionowa, mogą kryć w sobie pytania, na które wciąż nie znamy pełnej odpowiedzi. Eksperymenty prowadzone w wielkich akceleratorach pozwalają stopniowo odsłaniać tę strukturę, zderzając cząstki z ogromnymi energiami i obserwując, co dzieje się w najbardziej fundamentalnej skali. Wyniki te mogą pomóc zrozumieć, jak silne oddziaływania między kwarkami i gluonami organizują stabilną materię, a także przyczynić się do wyjaśnienia asymetrii między materią a antymaterią we Wszechświecie.  

Pełna treść artykułu jest dostępna tutaj: Tracking the baryon number with nuclear collisions. Współautorami publikacji są naukowcy z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej: Daniel Kikoła, Jędrzej Kołaś, Diana Pawłowska, Ashutosh Kumar Pandey, Jan Pluta, Priyanka Roy-Chowdhury, Daniel Wielanek oraz Hanna Zbroszczyk.