Ta strona używa plików cookies, aby zapewnić najlepszą jakość korzystania z naszego serwisu oraz do celów analitycznych. Klikając "Akceptuję", wyrażasz zgodę na używanie wszystkich plików cookies. Możesz również odrzucić zgodę, co spowoduje zablokowanie plików cookies analitycznych. Więcej informacji znajdziesz w naszej Polityce Prywatności.
Gluony mogą współtworzyć tożsamość protonu, wskazują na to zderzenia jąder
Proton ma liczbę barionową równą 1, a antyproton ma wartość -1.
Nowa analiza sugeruje, że liczba barionowa może być związana z gluonowym węzłem łączącym trzy kwarki.
Rozkład cząstek po zderzeniach jąder lepiej pasował do modelu węzła niż do klasycznego modelu kwarkowego.
Fizycy podkreślają, że wynik jest mocną wskazówką, ale nie stanowi jeszcze ostatecznego dowodu.
Sponsorowane
Odkryj rewolucyjną metodę nauki języków
Sprawdź jak w 30 dni opanować podstawy dowolnego języka obcego bez wychodzenia z domu.
Proton jest znacznie bardziej złożony, niż sugerowałby jego podręcznikowy obraz jako cząstki złożonej z dwóch kwarków typu up i jednego kwarka typu down. Nowe badanie wskazuje, że jedna z jego najbardziej podstawowych cech może być związana nie tylko z kwarkami, lecz także z gluonami, czyli cząstkami odpowiedzialnymi za siły wiążące składniki protonu. Chodzi o liczbę barionową, własność kwantową, która odróżnia protony i neutrony od innych cząstek. Analiza zderzeń jąder atomowych przeprowadzona przez naukowców ze współpracy STAR lepiej pasuje do modelu, w którym liczba ta jest związana z Y-kształtną strukturą gluonową.
Proton i neutron należą do grupy cząstek nazywanych barionami. W ich wnętrzu znajdują się trzy główne kwarki, a także gluony oraz krótkotrwałe pary kwarków i antykwarków, które nieustannie pojawiają się i znikają w ramach kwantowego opisu cząstki. Bariony mają liczbę barionową równą 1. Dla antybarionów, takich jak antyproton, wartość ta wynosi -1, natomiast dla mezonów, zbudowanych z kwarka i antykwarka, wynosi 0.
Słownik artykułu
Pojęcia, które warto znać
Krótkie objaśnienia terminów występujących w tekście. Każde hasło prowadzi do szerszej definicji i przykładów użycia.
Całkowita liczba barionowa jest zachowywana we wszystkich reakcjach, które dotąd zaobserwowali fizycy. W praktyce oznacza to, że nie można po prostu zniszczyć barionu bez utworzenia innego barionu albo zniszczenia antybarionu. Zasada ta pomaga wyjaśnić trwałość protonów oraz to, dlaczego materia w postaci atomów może utrzymywać się przez bardzo długi czas. Przez lata najbardziej naturalny wydawał się pogląd, że liczba barionowa jest własnością trzech kwarków tworzących proton, po jednej trzeciej na każdy kwark.
W klasycznym obrazie każdy z trzech głównych kwarków protonu wnosi jedną trzecią liczby barionowej.
W alternatywnym obrazie cała liczba barionowa jest związana z węzłem barionowym, który łączy kwarki.
Oba modele przewidują inny rozkład barionów i antybarionów po zderzeniu jąder.
Dane ze współpracy STAR wspierają model węzła, ale wymagają dalszych testów teoretycznych i eksperymentalnych.
Dwa sposoby opisu wnętrza protonu
Model przypisujący liczbę barionową kwarkom napotyka pozorną trudność. Gdy jeden z trzech kwarków zostanie oddzielony od reszty protonu, nie obserwuje się cząstki mającej jedną trzecią liczby barionowej. Oddzielony kwark łączy się z antykwarkiem i tworzy mezon o liczbie barionowej równej 0, a w pierwotnym barionie pojawia się nowy kwark. To zachowanie jest zgodne z tym, że kwarki i gluony nie występują w prosty sposób jako dowolnie izolowane składniki protonów.
Alternatywna hipoteza zakłada, że liczba barionowa jest związana z węzłem barionowym, czyli Y-kształtnym połączeniem gluonów znajdującym się w centrum struktury protonu i łączącym trzy kwarki. W takim opisie to nie poszczególne kwarki niosą całą informację o barionowej naturze cząstki. Podczas zderzenia węzeł może zostać oddzielony od kwarków, a z próżni pojawiają się nowe kwarki i antykwarki, które towarzyszą uwolnionym składnikom. Nie jest to jednak obraz gluonów funkcjonujących niezależnie od kwarków. Jedna z cytowanych w badaniu interpretacji zakłada, że oba opisy mogą być ze sobą zgodne, ponieważ węzeł nie istnieje samodzielnie poza układem kwarków.
Zderzenia jąder jako test hipotezy
Rozróżnienie obu modeli jest trudne, ponieważ życie kwarków i gluonów pozostaje ze sobą ściśle powiązane. Naukowcy wykorzystali jednak fakt, że oba obrazy przewidują odmienne zachowanie cząstek po zderzeniu. Analizowane kolizje jąder atomowych przeprowadzono w akceleratorze Relativistic Heavy Ion Collider w Brookhaven National Laboratory. Jądra zderzały się tam niemal z prędkością światła.
Po takim zderzeniu część cząstek nadal porusza się w pierwotnym kierunku wiązki, czyli do przodu, a część zostaje zatrzymana i wyrzucona w kierunku prostopadłym do wiązki. Według modelu kwarkowego kwarki przenoszą większą część pędu protonu niż gluonowy węzeł, dlatego trudniej je zatrzymać. Jeśli ten model jest właściwy, nadwyżka liczby barionów nad antybarionami powinna być większa w kierunku zgodnym z wiązką. Jeśli natomiast liczba barionowa jest związana z węzłem, większego wzrostu należałoby oczekiwać w kierunku prostopadłym.
W kilku rodzajach zderzeń badacze zaobserwowali właśnie taki układ, jaki przewiduje model węzła barionowego. Liczba barionów, po odjęciu liczby antybarionów, była zwiększona w kierunku prostopadłym do wiązki. Rozkład rodzajów cząstek oraz kątów, pod jakimi wylatywały po kolizji, lepiej pasował do scenariusza z gluonowym węzłem niż do scenariusza, w którym liczba barionowa jest przypisana wyłącznie kwarkom. Wyniki opisano w pracy współpracy STAR opublikowanej w czasopiśmie Science.
Mocna wskazówka, ale nie ostateczny dowód
Autorzy badania uznają wyniki za pierwszy wyraźny sposób odróżnienia obu interpretacji. Fizyk Spencer Klein z Lawrence Berkeley National Laboratory, który nie uczestniczył w pracy, ocenił, że wcześniej rozdzielenie efektów kwarków i gluonów wydawało się praktycznie niemożliwe, a obecna analiza po raz pierwszy pokazuje, że można je testować. Chun Shen z Wayne State University, również niezwiązany z badaniem, uznał, że dane mocno wspierają obraz węzła barionowego.
Zastrzeżenia pozostają jednak istotne. Chun Shen podkreśla, że wynik nie jest jeszcze rozstrzygającym dowodem. Fizycy teoretyczni muszą poprawić przewidywania modeli, aby dokładniej porównać je z danymi doświadczalnymi. Dodatkowych informacji może dostarczyć planowany Electron-Ion Collider, który ma zastąpić Relativistic Heavy Ion Collider zakończony w lutym. Znaczenie gluonów dla protonu i tak wykracza poza samo wiązanie kwarków. Wcześniejsze badania wskazywały, że gluony wnoszą dużą część masy protonu oraz uczestniczą w określaniu jego spinu. Nowa praca sugeruje, że podobnie może być z liczbą barionową, ale ta interpretacja wymaga dalszego potwierdzenia.
