Jądra atomów otaczającej nas materii są zbudowane z protonów i neutronów. One również nie są niepodzielne. W ich wnętrzu znajdują się mniejsze cząstki nazywane kwarkami, a wiążą je gluony – nośniki oddziaływania silnego. Najprostszy obraz protonu przedstawia go jako układ trzech kwarków. W rzeczywistości jego wnętrze bardziej przypomina nieustannie zmieniającą się chmurę cząstek i pól.

Liczba barionowa jest jedną z wielkości, za pomocą których fizycy klasyfikują cząstki. Proton i neutron mają ją równą 1, antyproton i antyneutron – minus 1, natomiast elektron i foton – 0. W niemal wszystkich znanych procesach suma liczb barionowych pozostaje niezmienna. Jeśli proton zostaje rozbity, jego liczba barionowa nie ginie, lecz musi zostać przeniesiona przez inne powstałe cząstki.

Nie było jednak wiadomo, z czym ta liczba jest związana wewnątrz protonu. Zwykle przyjmuje się, że jest podzielona między trzy główne kwarki – każdy przenosi jedną trzecią. Od lat 70. XX wieku istnieje jednak konkurencyjna hipoteza. Zgodnie z nią całą liczbę barionową może przenosić przypominające literę Y połączenie pola gluonowego, nazywane złączem barionowym.

Różnicę można wyobrazić sobie jako trzy linki zbiegające się w jednym węźle. W tradycyjnym obrazie poszukiwana cecha jest rozdzielona między trzy końce linek. W drugim należy do łączącego je węzła – jest własnością całego układu, a nie żadnego z jego pojedynczych fragmentów. Kwarkom odpowiadają końce linek, a złączu barionowemu centralny węzeł.

Przez wiele lat oba wyjaśnienia trudno było od siebie odróżnić. Zespół eksperymentu STAR wykorzystał do tego ładunek elektryczny. Kwarki mają ładunek, natomiast gluonowe złącze jest elektrycznie obojętne. Jeśli liczba barionowa podróżuje razem z kwarkami, jej przemieszczaniu powinien towarzyszyć przepływ ładunku. Jeśli niesie ją złącze, oba zjawiska mogą się rozdzielić.

„Jeśli za przenoszenie liczby barionowej odpowiadają przede wszystkim kwarki, powinno jej towarzyszyć przenoszenie ładunku elektrycznego. Kwarki są przecież elektrycznie naładowane” – wyjaśnia prof. Hanna Zbroszczyk z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej.

STAR jest detektorem przy Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów RHIC w Brookhaven National Laboratory w USA. Fizycy analizowali zderzenia jąder rutenu-96 i cyrkonu-96. Oba rodzaje jąder mają łącznie po 96 protonów i neutronów, ale ruten zawiera 44 protony, a cyrkon 40. Mają więc taką samą liczbę barionową, lecz różny ładunek elektryczny. Pozwala to sprawdzić, czy po zderzeniu obie wielkości rzeczywiście przemieszczają się razem.

Analiza około dwóch miliardów zderzeń każdego rodzaju pokazała, że liczba barionowa docierała do centralnego obszaru zderzenia znacznie skuteczniej, niż wynikało z modeli przypisujących ją wyłącznie trzem głównym kwarkom. Ładunek elektryczny nie podążał za nią w takim samym stopniu.

Drugi test wykorzystał oddziaływania fotonów z jądrami złota. Foton nie ma liczby barionowej. Nadwyżka protonów pojawiająca się w centralnym obszarze układu zderzenia musiała więc pochodzić z jądra złota. Także ten pomiar wskazał na sprawniejszy transport liczby barionowej, niż przewidywał prosty model trzech kwarków.

Wyniki pokazują, że obraz, w którym liczba barionowa jest związana wyłącznie z trzema kwarkami, nie wystarcza do opisania wszystkich obserwacji. Spośród rozważanych wyjaśnień to model gluonowego złącza pozostaje z nimi jakościowo zgodny. Rozstrzygnięcia mają przynieść kolejne pomiary w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN, gdzie zderza się protony i jądra atomowe, oraz w CEBAF – amerykańskim akceleratorze wykorzystującym ciągłą wiązkę elektronów do badania budowy materii. Szczególnie ważny będzie budowany w Brookhaven Zderzacz Elektron–Jon (EIC), w którym elektrony mają służyć jako precyzyjna sonda wnętrza protonów i jąder atomowych.

W badaniach uczestniczyli naukowcy z dwóch polskich ośrodków: Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej oraz Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Science”. (PAP)

kmp/ agt/