Спустя 50 лет обнаружены доказательства того, что удерживает материю вместе

Фото из открытых источников

Вселенная подобна воде, текущей вниз по склону, и это не какая-то новомодная духовная мантра. Частицы и системы спонтанно переходят в состояния с более низкой энергией, включая распад тяжелых частиц на более легкие. 

Протоны находятся у подножия этого холма. Они являются самыми лёгкими барионами (субатомными частицами, состоящими из кварков), и распад протонов никогда не наблюдался.

Теперь исследователи обнаружили доказательства того, что одно из определяющих свойств протона может работать иначе, чем мы предполагали. И это может помочь объяснить давнюю загадку о том, что именно удерживает материю вместе во Вселенной.

Кажущаяся стабильность протона связана с сохранением барионного числа, что помогает отличить материю от антиматерии. Принято считать, что барионное число определяется тремя валентными кварками, составляющими барионы, такими как протоны и нейтроны. 

Но теперь, после десятилетий неопределенности, новое прорывное исследование с использованием столкновений высокоэнергетических частиц предоставило одни из самых убедительных экспериментальных доказательств против этой простой картины валентных кварков.

Опубликованное в журнале Science исследование подтверждает идею о том, что барионное число фактически передается через Y-образное «барионное соединение» частицы, образованное безмассовыми глюонами, которые действуют как клей, удерживающий барионы вместе. 

Хотя эта теория была предложена еще в 1970-х годах, физики до сих пор не могли должным образом проверить эти две конкурирующие теории — до настоящего времени, что пролило свет на фундаментальную загадку: 

«Три конца барионного соединения соединены с валентными кварками, что делает невозможным для большинства физических процессов определение того, какие кварки — соединительный или валентный — несут барионное число», — пишут исследователи. «По этой причине ни один из сценариев не был однозначно подтвержден экспериментально».

Как это часто бывает с загадочными явлениями в физике элементарных частиц, лучший способ их изучения может заключаться в столкновении частиц друг с другом на скорости, близкой к скорости света. 

В связи с этим, крупная исследовательская группа под названием STAR Collaboration проанализировала результаты различных типов столкновений, произошедших в Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), ныне выведенном из эксплуатации ускорителе частиц и ускорителе частиц в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке.

Группа исследователей проанализировала результаты фотоядерных столкновений и ядерных столкновений в изобарах, а затем сравнила эти результаты с несколькими вычислительными моделями, имитирующими столкновения высокоэнергетических частиц. 

Изобарные ядерные столкновения включают столкновение двух ядер с одинаковым массовым числом, после чего измеряется суммарное число переносимых барионов в зависимости от суммарного электрического заряда между различными типами ядер – в данном случае, сталкивающимися ядрами атомов рутения и циркония. 

Это должно дать специфический результат, поскольку известно, что валентные кварки несут электрический заряд, тогда как в месте соединения электрический заряд равен нулю.

Исследователи обнаружили, что барионы проходят через плотную, энергичную зону столкновений большее расстояние, чем электрический заряд, что позволяет предположить, что барионное число переносится переходом, который замедляется не так сильно, как электрически заряженные валентные кварки.

Фотоядерные столкновения, с другой стороны, исследуют взаимодействие фотонов (частиц света) и ядер атомов золота, которые приближаются друг к другу с релятивистскими скоростями. 

На таких головокружительных скоростях положительно заряженные ядра золота генерируют электромагнитное поле, или, по сути, виртуальный, «квазиреальный» фотон. 

«Таким образом, когда ионы движутся со скоростью, близкой к скорости света, вокруг ядра золота образуется множество фотонов, движущихся вместе с ним подобно облаку», — объясняет Чжанбу Сюй, физик из Кентского государственного университета и член коллаборации STAR, в своей предыдущей статье. 

Эти импровизированные фотоны затем сталкиваются с ядрами золота, обеспечивая «чистое» представление о переносе барионного числа — все барионы, обнаруженные в образовавшихся «обломках», должны быть связаны с ядрами золота.  

Иными словами, поскольку входящий фотон имеет нулевое барионное число, любое суммарное барионное число, измеренное после взаимодействия, в конечном итоге должно исходить от ядра золота.

Как показывают эксперименты с изобарами, это согласуется с предсказаниями теории Редже, которая лучше учитывает барионное соединение, чем моделирование на основе валентных кварков.

В статье в журнале Science Perspective физик из Университета штата Миссисипи Вэньлян Ли подчеркивает, что, хотя новые измерения предполагают, что глюоны могут вносить вклад в перенос барионного числа, они не дают прямого, строго контролируемого измерения лежащего в основе механизма.

Дальнейшие исследования в конечном итоге могут помочь физикам понять дисбаланс материи и антиматерии, который способствовал существованию Вселенной в том виде, в каком мы её видим сегодня, — одной из величайших космических загадок. 

«Определение того, какие именно частицы — кварки или глюонное поле — переносят барионное число, может способствовать пониманию того, как сильное взаимодействие между субатомными частицами организует стабильную материю и что вызывает дисбаланс между материей и антиматерией во Вселенной», — пишет Ли.

В будущем нас ждут новые испытания по столкновению атомов, в том числе с помощью мощного электронно-ионного коллайдера, который скоро будет запущен в Брукхейвенской национальной лаборатории.

«Необходимы дальнейшие исследования существующих и альтернативных теорий; чтобы быть жизнеспособными, такие теории должны одновременно объяснять все наблюдаемые явления», — заключают исследователи. «И пока что качественно неизменным остается лишь концепция барионного соединения».