Используя ускорители частиц, ученые воспроизводят условия, существовавшие в первые моменты после возникновения Вселенной. Это делается с целью разобраться в необъяснимых явлениях: например, почему во Вселенной преобладает материя над антиматерией, из каких компонентов состоят кварки и как поддерживается постоянством барионного числа. Недавний анализ данных о столкновениях на коллайдере RHIC предоставил убедительные доказательства того, что перенос барионного числа осуществляется не посредством кварков, а через глюонную перемычку внутри протонов.

Барионы – это элементарные частицы, состоящие из трех кварков, к которым относятся протон и нейтрон. Экспериментальные данные показывают, что для них действует закон сохранения барионного числа: количество барионов в системе определяется разницей между числом кварков и антикварков, входящих в состав античастиц. Этот закон не имеет теоретического обоснования, однако он применим ко всем наблюдаемым физическим процессам и объясняет преобладание материи над антиматерией во Вселенной.

Внутри барионов, помимо кварков, присутствуют глюоны – частицы, выполняющие роль посредников при взаимодействии. сильного взаимодействия. В рамках квантовой хромодинамики глюоны формируют в протоне структуру, напоминающую Y-образный узел, который представляет собой барионную (глюонную) перемычку. Существование этой структуры до настоящего времени не было подтверждено экспериментально.

В настоящее время физики придерживаются мнения о равномерном распределении барионного числа между тремя кварками. Однако начиная с 1990-х годов выдвигалась гипотеза о том, что переносчиком этого числа может быть глюонная перемычка. Подтвердить данное предположение представляется непростой задачей, поскольку непосредственное наблюдение кварков и глюонов в отдельности сопряжено со значительными трудностями.

После экспериментов на детекторе STAR в релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) международная группа физиков предоставила убедительные свидетельства того, что именно Y-перемычка выступает носителем барионного числа. Опубликована статья, посвященная этому вопросу опубликовали в журнале Science.

В ходе экспериментов на коллайдере исследователи регулярно фиксировали избыточное количество барионов, выбрасываемых при столкновениях перпендикулярно траектории движущихся пучков. Для реализации подобного сценария необходимо было бы, чтобы все три кварка одного протона, участвующего в столкновении, временно прекратили свое движение. В этом случае их энергия была бы направлена на формирование новых частиц.

Специалисты пришли к выводу, что на результат могут оказывать существенное влияние и другие факторы. Кварки обладают электрическим зарядом, тогда как перенос заряда нейтрален. Ученые сопоставили величину барионного числа, наблюдаемую при различных типах ядерных столкновений с перераспределением электрических зарядов в тех же столкновениях.

Установлено, что столкновение приводит к образованию вдвое большего количества барионов, чем можно было бы предсказать на основе данных об остановленных кварках и их зарядах. В связи с этим исследователи начали поиск альтернативных объяснений количеству образующейся материи.

В условиях высоких энергий пучка происходит деление и размножение глюонов внутри протона, при этом каждый из них получает все меньшую долю энергии, изначально принадлежавшей протону. Одновременно с этим кварки не размножаются, их вклад постоянен.

Согласно выводам группы исследователей, работающих на детекторе STAR, барионная перемычка, состоящая из глюонов, становится энергетически более легкой и, следовательно, останавливается проще, чем три кварка, находящиеся внутри протонов. В момент остановки перемычки кварки продолжают свое движение в коллайдере. Следует отметить, что кварки и глюоны не могут существовать изолированно; они мгновенно объединяются с другими частицами.

Взаимодействие кварков и антикварков приводит к формированию мезонов, в то время как глюонные перемычки способны притягивать три кварка из вакуума, что влечет за собой образование бариона. Следует отметить, что этот процесс значительно сложнее: взаимодействие ядер, состоящих из сотен протонов и нейтронов, порождает огромное количество новых частиц. Увеличение числа образующихся частиц в результате столкновения напрямую связано с возрастанием наблюдаемого избытка барионов.

Результаты проведенного исследования демонстрируют, что экспериментальные данные более точно соответствуют модели глюонной перемычки по сравнению с моделью кварков, отвечающих за барионное число. Авторы работы утверждают, что информация, полученная в период с 2000 по 2026 год с коллайдера, предоставляет весомые доказательства существования барионной перемычки. При этом физики акцентируют внимание на необходимости независимой проверки их выводов другими научными коллективами.