Глюоны могут оказаться носителями барионного числа 18.08.2026

Протон принято представлять как относительно простую частицу, состоящую из трех валентных кварков. Однако квантовая хромодинамика, описывающая сильное взаимодействие, показывает гораздо более сложную картину, в которой огромную роль играют глюоны - частицы, связывающие кварки друг с другом. Новый анализ данных детектора STAR на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории позволяет предположить, что именно особая конфигурация глюонов может участвовать в переносе барионного числа.

Барионное число относится к фундаментальным квантовым характеристикам материи. В привычной кварковой модели протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, причем каждому из них приписывается барионное число +1/3, а самому протону - +1. Но внутри протона постоянно существует сложное "облако" глюонов и виртуальных пар кварк-антикварк. Еще в 1970-х годах теоретики предположили существование Y-образной глюонной конфигурации, соединяющей три валентных кварка. В 1996 году Дмитрий Харзев из Стоуни-Брукского университета и Брукхейвенской лаборатории высказал идею, что именно такая барионная, или глюонная, связка может быть настоящим носителем барионного числа.

Проверить эту гипотезу исследователи решили по результатам столкновений частиц на RHIC. При столкновении ядер, разогнанных почти до скорости света, высвобождается огромное количество энергии, из которой возникают тысячи новых частиц. Детектор STAR при этом регулярно фиксирует нетто-барионный заряд, то есть избыток барионов над антибарионами, причем значительная его часть обнаруживается в направлениях, перпендикулярных первоначальному движению пучков. Сам по себе избыток барионов закономерен, поскольку сталкивающиеся ядра первоначально состоят из обычной материи, однако пространственное распределение этих частиц оказалось гораздо интереснее.

Ключ к разгадке исследователи нашли, сравнив поведение барионного и электрического зарядов. Поскольку валентные кварки несут одновременно и барионное, и электрическое зарядовые числа, по распределению электрического заряда можно оценить, какое количество валентных кварков действительно остановилось в результате столкновения и оказалось вовлечено в образование новых частиц. Анализ STAR показал, что число возникающих барионов примерно вдвое превышает то количество, которое можно объяснить числом остановленных кварков. В рамках моделей, основанных на квантовой хромодинамике, этого уже недостаточно для объяснения наблюдаемого результата.

По мнению авторов исследования, дополнительный источник следует искать в глюонной структуре протона. При очень высокой энергии внутри него значительно увеличивается число глюонов, поскольку они способны расщепляться и порождать новые глюонные состояния. При этом отдельные глюоны несут лишь небольшую долю общего импульса протона, тогда как валентные кварки продолжают двигаться преимущественно вперед. Поэтому Y-образная глюонная связка, обладающая меньшим импульсом, может легче остановиться во время столкновения, чем три быстро движущихся кварка.

В таком случае возникает необычный механизм образования материи. Глюонная связка может остановиться в центральной области столкновения и преобразовать свою энергию в новые частицы, тогда как валентные кварки продолжают движение вдоль направления исходного пучка. Поскольку изолированные кварки и глюоны существовать не могут, они быстро объединяются с другими частицами. В упрощенной картине три продолжающих движение кварка могут соединиться с антикварками и образовать мезоны, а остановившаяся Y-образная связка способна породить три новых кварка и тем самым сформировать новый барион. Реальные процессы значительно сложнее: если сталкиваются ядра, содержащие около сотни протонов и сотни нейтронов, образуются тысячи частиц, причем до 99% первоначальной энергии может перейти в новые объекты.

Интересно, что наблюдаемые последствия этого механизма проявляются не только непосредственно в момент столкновения. По мере увеличения энергии протона количество содержащихся в нем глюонов возрастает, а их индивидуальный импульс уменьшается. В результате глюонная связка становится относительно более "медленной" частью системы и получает больше шансов остановиться. После этого ее энергия может участвовать в формировании барионов, которые разлетаются в стороны от первоначальной траектории пучка. Именно такой избыток барионов в области мидрапидности, то есть в центральной зоне распределения частиц, и оказался важным аргументом в пользу предложенного объяснения.

Если интерпретация STAR подтвердится дальнейшими экспериментами и теоретическими расчетами, она заставит пересмотреть привычное представление о распределении барионного числа внутри протона. Результаты не означают, что валентные кварки перестают быть важной частью протона, однако показывают, что их может быть недостаточно для объяснения всех наблюдаемых процессов. Особая Y-образная конфигурация глюонов, возможно, выполняет гораздо более фундаментальную функцию, чем считалось ранее, участвуя в переносе барионного числа. Это не только углубляет наше понимание строения протона, но и помогает приблизиться к разгадке более масштабных вопросов о происхождении и устойчивости обычной материи во Вселенной.