Барионы — элементарные частицы из трех кварков, к ним относятся протон и нейтрон. Физики эмпирически увидели, что для них действует закон сохранения барионного числа: количество барионов в системе зависит от разности количества кварков и антикварков, составляющих античастицы. Этот закон никак не обоснован теоретически, но работает для всех наблюдаемых физических процессов. С ним же связан тот факт, что в наблюдаемой Вселенной материи больше, чем антиматерии.
Помимо кварков, внутри барионов есть глюоны. Это частицы — переносчики сильного взаимодействия. Согласно квантовой хромодинамике, глюоны образуют в протоне Y-образный узел — барионную (глюонную) перемычку. Ее существование до сих пор не было подтверждено экспериментально.
Сейчас физики считают, что барионное число равномерно распределено между тремя кварками. С 1990-х годов ученые предполагали, что на самом деле его носителем может быть именно глюонная перемычка. Проверить такое предположение трудно, потому что наблюдать кварки и глюоны по отдельности — крайне сложно.
После экспериментов на детекторе STAR в релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) международная группа физиков представила доказательства того, что именно Y-перемычка выступает носителем барионного числа. Статью об этом опубликовали в журнале Science.
При столкновениях на коллайдере ученые постоянно наблюдали избыток барионов, вылетающих из столкновений перпендикулярно направлению сталкивающихся пучков. Для такого процесса потребовалось бы, чтобы все три кварка одного сталкивающегося протона «остановились». Тогда их энергия пойдет на создание новых частиц.
Физики подсчитали, что при столкновении могут иметь решающее влияние другие процессы. Кварки несут электрический заряд, перемычка заряда не имеет. Ученые сравнили барионное число, наблюдаемое при различных типах ядерных столкновений с перераспределением электрических зарядов в тех же столкновениях.
Оказалось, столкновение генерирует в два раза больше барионов, чем можно было бы ожидать по измерениям зарядов остановившихся кварков. Исследователи стали искать другие объяснения количеству материи в экспериментах.
При высоких энергиях пучка глюоны внутри протона делятся и размножаются, и каждый из них несет все меньшую долю энергии протона. Кварки при этом не размножаются, их вклад постоянен.
По мнению команды детектора STAR, состоящая из глюонов барионная перемычка становится энергетически легкой и останавливается гораздо проще, чем три кварка внутри протонов. Когда перемычка встает на месте, кварки продолжают движение в коллайдере. Кварки и глюоны не могут существовать по отдельности, они немедленно объединяются с другими частицами.
Каждый кварк может объединиться с антикварком в мезон, а глюонная перемычка притягивает три новых кварка из вакуума и образует с ними барион. На самом деле процесс более сложный: столкновение ядер из сотен протонов и нейтронов создают тысячи новых частиц. Чем больше частиц образуется в столкновении, тем больше наблюдаемый избыток барионов.
Авторы научной работы показали, что экспериментальные данные лучше согласованы с моделью глюонной перемычки, чем с моделью кварков, несущих барионное число. Они считают, что собранные с 2000 по 2026 год данные с коллайдера служат убедительным подтверждением существования барионной перемычки. Однако физики подчеркнули, что их работа требует независимого подтверждения от других исследовательских групп.