Почему наш мир до сих пор не распался в чистый свет: эксперимент на коллайдере выяснил, что держит стабильность материи

Вся видимая материя Вселенной состоит из атомов, в центрах которых находятся ядра, образованные протонами и нейтронами. В физике элементарных частиц их называют барионами. Главное свойство любого бариона — наличие барионного квантового числа. Этот параметр сохраняется во всех известных физических процессах с момента зарождения Вселенной.

Именно закон сохранения барионного числа запрещает протону самопроизвольно распадаться на более легкие частицы, например на позитроны и кванты света. Благодаря этому фундаментальному запрету атомные ядра сохраняют стабильность миллиарды лет, делая возможным существование химических элементов, планет и органической жизни.

На протяжении полувека в физике господствовало представление, зафиксированное во всех школьных и университетских учебниках: барионный заряд протона и нейтрона равномерно распределен между тремя составляющими их валентными кварками. Каждому кварку приписывали одну треть барионного числа, что в сумме давало единицу.

Однако результаты экспериментов международной коллаборации STAR на релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории доказали, что общепринятая теория неверна. Барионное число переносится не кварками. Истинным носителем этой фундаментальной характеристики оказалась особая пространственная конфигурация глюонного силового поля — барионный джанкшен.

Две гипотезы: аддитивные кварки против барионного джанкшена

В Стандартной модели физики элементарных частиц свойства микромира описываются через набор квантовых характеристик: массу, спин, электрический заряд, а также цветовой заряд, отвечающий за сильное ядерное взаимодействие. Переносчиками сильного взаимодействия выступают безмассовые частицы — глюоны. Они связывают кварки между собой, формируя устойчивые составные частицы — адроны.

В теоретической физике сосуществовали два взгляда на то, как именно внутри нуклона формируется барионное число:

• Модель валентных кварков. Это классическая схема, согласно которой барионное число является аддитивной величиной. Оно просто суммируется из долей, принадлежащих самим кваркам: одна треть плюс одна треть плюс одна треть. В этой картине перемещение барионного числа в пространстве жестко связано с физическим перемещением самих кварков и их электрического заряда.
• Модель барионного джанкшена. Эту гипотезу выдвинули в 1970-х годах теоретики Ксавье Артрю, Габриэле Венециано и Джованни Росси. Согласно их расчетам, барионное число принадлежит не кваркам, а непертурбативной структуре глюонного поля. Силовые линии поля, идущие от трех кварков, сходятся в центральной точке, образуя Y-образную конфигурацию. Эта точка соединения — джанкшен — электрически нейтральна, но именно в ней сосредоточен единичный барионный заряд. Кварки на концах силовых линий обладают электрическим зарядом и массой, но их собственное барионное число равно нулю.

В спокойном, изолированном протоне обе модели дают совершенно одинаковые наблюдаемые величины. Силы внутриядерного удержания (конфайнмента) связывают кварки и глюонное поле в объеме диаметром около одного фемтометра (одной триллионной доли миллиметра).

Внутри покоящейся частицы компоненты движутся нераздельно. Чтобы выяснить, кому на самом деле принадлежит барионный паспорт — кваркам или точке соединения глюонных линий, физикам потребовалось провести эксперимент, способный физически оторвать эти компоненты друг от друга.

Физика релятивистского торможения

Единственный способ разделить внутренние структуры нуклона — разогнать атомные ядра на ускорителе до скоростей, вплотную приближающихся к скорости света, и столкнуть их в лоб.

Для описания движения частиц физики используют понятие быстроты. Это релятивистская величина, которая напрямую связана с направлением и скоростью движения частицы вдоль оси ускорительного пучка. Частицы, которые после удара продолжают лететь вперед с околосветовой скоростью, обладают высокой начальной быстротой пучка. Центральная зона столкновения, где частицы полностью сбрасывают продольную скорость и практически останавливаются в системе центра масс, называется областью средней быстроты.

Процесс, при котором квантовые свойства сталкивающихся ядер (их электрический и барионный заряды) теряют скорость и задерживаются в центральной зоне, называют барионным торможением или барионным транспортом.

В механизме этого торможения две теории предсказывают принципиально разный ход событий:

1. Если правы сторонники кварковой модели: валентные кварки несут основную долю продольного импульса протона. Чтобы протон полностью остановился в центральной зоне детектора, необходимо одновременно и синхронно затормозить все три его кварка. Вероятность такого процесса крайне мала. Но главное: если тормозятся сами кварки, то вместе с барионным числом в центр столкновения в точно такой же пропорции должен переместиться и их электрический заряд.
2. Если права модель джанкшена: глюонная точка соединения состоит из низкоэнергетических полей. При соударении ядер этот узел сбрасывает скорость и застревает в области средней быстроты гораздо легче массивных кварков. Оказавшись в центре столкновения, нейтральный джанкшен мгновенно использует энергию взаимодействия, чтобы вытянуть из физического вакуума новые пары кварков и антикварков. Он соединяется с ними и формирует совершенно новый барион прямо в центральной зоне. Исходные же валентные кварки летят дальше по направлению пучка и образуют мезоны — частицы с нулевым барионным зарядом.

Таким образом, модель джанкшена утверждает: в центральной области столкновения барионное число способно останавливаться намного эффективнее и чаще, чем электрический заряд, оставляя валентные кварки позади.

Эксперимент с изобарами: рутений против циркония

Для проверки обеих гипотез на ускорителе RHIC в Брукхейвене провели эксперимент со столкновением ядер-изобаров. Изобары — это элементы с одинаковым общим числом нуклонов, но разным числом протонов.

Физики выбрали пару изотопов с одинаковой массой, равной 96 единицам:

• Рутений-96: содержит 44 протона и 52 нейтрона;
• Цирконий-96: содержит 40 протонов и 56 нейтронов.

Разница по электрическому заряду между ядрами составляет ровно 4 протона, при этом общее количество нуклонов абсолютно одинаково.

Ускоритель обеспечил идентичные условия для столкновений обоих типов ядер при энергии 200 гигаэлектронвольт на пару нуклонов. Детектор STAR набрал колоссальную статистику — около двух миллиардов столкновений для каждого изотопа. Исследователи измерили выходы всех заряженных частиц (пионов, каонов, протонов и антипротонов) в центральной области детектора. Выход нейтральных частиц — нейтронов и антинейтронов — восстановили расчетным путем через измерение ядер дейтерия и учет распадов нестабильных тяжелых частиц (гиперонов).

Логика расчетов проста: если барионное число намертво привязано к кваркам, то доля заторможенного в центре барионного числа должна быть строго пропорциональна доле заторможенного электрического заряда. При нормировке на разницу зарядов и масс ядер отношение переноса барионов к переносу заряда должно было в точности равняться единице.

Измерения детектора STAR показали неожиданный результат: в наиболее плотных центральных столкновениях это соотношение составило 1,84.

Величина 1,84 почти в два раза превышает максимально возможное теоретическое значение для кварковой модели. Барионное число накапливалось в центральной зоне остановки почти вдвое эффективнее, чем электрический заряд. Валентные кварки, несущие электрический заряд, пролетали сквозь точку соударения, в то время как барионный заряд оставался в центре.

Компьютерное моделирование на базе стандартных кварковых моделей (таких как UrQMD) предсказывало для этого отношения величины от 0,5 до 0,7. Никакие подгонки параметров внутри классической теории не позволили объяснить наблюдаемый избыток барионов.

Анализ фотоядерных реакций: зондирование чистым светом

Чтобы перепроверить результат и исключить влияние сложных внутриядерных процессов, физики провели принципиально иной эксперимент: бомбардировку ядер золота виртуальными фотонами высокой энергии.

При околосветовом движении тяжелого иона золота вокруг него возникает электромагнитное поле высокой плотности, которое физически эквивалентно потоку фотонов. Фотон — квант электромагнитного поля, у него нет массы покоя, а его собственное барионное число строго равно нулю. Когда фотон ударяет по протону в ядре-мишени, он передает ему энергию, но не вносит никакого собственного барионного заряда.

В таких чистых реакциях распределение рождающихся барионов по скоростям описывается экспоненциальным спадом. Скорость этого спада характеризуется специальным параметром наклона: чем выше параметр, тем быстрее уменьшается число барионов по мере удаления от скорости пучка.

Теоретические расчеты на основе теории Редже и концепции барионного джанкшена предсказывали, что параметр наклона должен находиться в строгих пределах от 0,42 до 1,0. Нижняя граница соответствует взаимодействию джанкшена с двухглюонным состоянием, а верхняя — соударению двух джанкшенов.

Экспериментальные данные детектора STAR для фотоядерных реакций дали значение параметра наклона, равное 1,04 с погрешностью 0,22.

Полученное число идеально совпало с предсказанием теории барионного джанкшена. При этом общепринятые численные симуляторы адронных столкновений (например, базовая версия генератора событий PYTHIA), опирающиеся на рождение частиц через разрыв кварковых цепочек, дали значение наклона, значительно превышающее единицу. Это доказало: без учета топологического глюонного узла описать реальное распределение барионов невозможно.

Независимость от плотности среды

Финальным аргументом в пользу новой теории стал анализ данных по столкновению ядер золота друг с другом в широком диапазоне энергий — от 7,7 до 200 гигаэлектронвольт, а также столкновений отдельных протонов.

В столкновениях ядер золота параметр наклона распределения барионов составил 0,64. Самым важным оказалось то, что этот наклон оставался совершенно неизменным вне зависимости от геометрии удара. Он был одинаковым как для центральных лобовых столкновений, где участвуют сотни протонов и нейтронов, так и для периферийных касательных ударов, где взаимодействуют единичные нуклоны на границах ядер. В столкновениях одиночных протонов наклон также составил 0,65.

Если бы торможение барионов определялось валентными кварками, наклон кривой резко менялся бы в зависимости от плотности среды и числа вторичных соударений: в плотном центре сталкивающихся ядер кварки должны были рассеиваться намного сильнее, чем на пустой периферии.

Постоянство параметров во всех типах столкновений окончательно подтвердило: торможение барионного числа — это фундаментальное свойство изолированной глюонной конфигурации нуклона, а не побочный эффект взаимодействия ядерной материи.

Что это меняет в понимании устройства материи

Экспериментальные данные коллаборации STAR ставят точку в полувековом споре о носителе барионного числа. Они демонстрируют, что барионная природа вещества определяется не точечными частицами, а геометрией калибровочных полей.

Это открытие ведет к пересмотру целого ряда фундаментальных разделов физики:

• Пересмотр алгоритмов физики высоких энергий. Практически все современные расчетные комплексы, на которых моделируются эксперименты на ускорителях мира (включая Большой адронный коллайдер в ЦЕРН), базируются на предположении, что барионный заряд переносят кварки. Полученные результаты требуют переработки теоретических генераторов событий с обязательным включением механизмов рассеяния глюонных джанкшенов.
• Понимание космологической асимметрии. Закон сохранения барионного числа напрямую связан с загадкой бариогенезиса: почему в первые доли секунды после Большого взрыва материя одержала верх над антиматерией, сформировав наблюдаемую Вселенную. Установление истинного носителя барионного заряда дает космологам новые вводные данные для моделирования физических процессов в экстремальных условиях молодой Вселенной.
• Поиск экзотических форм материи. Если барионный джанкшен представляет собой независимый топологический объект, то квантовая хромодинамика допускает существование принципиально новых частиц, лишенных привычной тройки кварков. Физики уже рассчитывают условия для поиска бариониевых глюболов (связанных состояний из джанкшена и антиджанкшена), тетракварков с узловыми связями и сложных сетевых глюонных структур.
• Задачи для будущих мегаустановок. Подробное картографирование распределения глюонных джанкшенов внутри ядер станет одной из главных научных задач строящегося в США электрон-ионного коллайдера EIC (Electron-Ion Collider) и модернизированного ускорительного комплекса CEBAF в Лаборатории Джефферсона.

Физика подошла к новому уровню понимания материи. Протоны и нейтроны больше нельзя рассматривать как простую сумму трех кварковых кирпичиков. Кварки определяют электрический заряд и аромат частиц, но сам фундамент стабильности материи держится на топологических узлах глюонного поля.

Источник: arXiv