Vědci přepisují fyziku: Gluony jsou klíčem ke stabilitě hmoty a vesmíru

Nové výsledky z detektoru STAR na Relativistickém urychlovači těžkých iontů (RHIC) naznačují, že gluony, částice podobné lepidlu, které drží kvarky pohromadě uvnitř protonů, hrají ústřední roli v zachování baryonového čísla.

Nové výsledky z detektoru STAR na Relativistickém urychlovači těžkých iontů (RHIC) naznačují, že gluony, částice podobné lepidlu, které drží kvarky pohromadě uvnitř protonů, hrají ústřední roli v zachování baryonového čísla. To je zásadní součást kvantové identity částice a má dalekosáhlé důsledky pro stabilitu veškeré hmoty.

Zjištění z energetických srážek částic na RHIC, zařízení Ministerstva energetiky USA pro výzkum jaderné fyziky, naznačují, že baryonové číslo je přenášeno Y-tvarovanou „křižovatkou“ gluonů, která spojuje tři hlavní kvarky protonu. Tato studie, publikovaná v časopise Science, zpochybňuje dlouholetý názor, že baryonové číslo je neseno výhradně těmito třemi kvarky. Tradičně se předpokládalo, že každý ze tří hlavních „valenčních“ kvarků uvnitř protonu nebo neutronu nese jednu třetinu baryonového čísla.

Koncept baryonové křižovatky, neboli gluonové křižovatky, byl předpovězen fyziky v 70. letech, aby vysvětlil, jak gluony drží valenční kvarky pohromadě v protonech. Teoretický fyzik Dmitri Kharzeev v roce 1996 navrhl, že baryonová křižovatka by mohla být skutečným nositelem baryonového čísla namísto valenčních kvarků. Tým STAR nyní tuto myšlenku inovativně otestoval a jejich výsledky silně podporují, že baryonové číslo je snáze přenášeno a transportováno gluony, když jsou uspořádány v této speciální konfiguraci.

Identifikace nositele baryonového čísla má významné důsledky. Na úrovni srážek v RHIC zajišťuje zachování baryonového čísla, že celkový počet baryonů (částic se třemi kvarky, jako jsou protony a neutrony) zůstává stejný před a po srážce. Avšak myšlenka zachování baryonového čísla se vztahuje na celý vesmír. Od Velkého třesku se celkový počet protonů a neutronů v čase nemění, což je jedna z největších záhad vesmíru, související s tím, proč máme více hmoty než antihmoty. Na každodenní praktické úrovni zachování baryonového čísla vysvětluje, proč jsou protony, ústřední stavební kameny atomových jader, tak stabilní a nerozpadají se. Předpokládá se, že životnost protonu je delší než životnost vesmíru, což umožňuje existenci stabilních atomových jader a tím i hmoty, jak ji známe.

Teorie kvantové chromodynamiky (QCD), která popisuje interakce mezi kvarky a gluony zprostředkované silnou silou, byla velmi úspěšná. Modely inspirované QCD však často vyžadují další předpoklady k vysvětlení pozorování částic proudících ze srážek jader urychlených téměř na rychlost světla v RHIC. V detektoru STAR vědci důsledně pozorují přebytek baryonů vycházejících ze srážek kolmo ke směru srážejících se paprsků. Tento přebytek baryonů, neboli čisté baryonové číslo, v částicích vzdalujících se od paprsku, vedl tým STAR k zpochybnění předpokladu, že za přenos baryonového čísla jsou zodpovědné pouze valenční kvarky. K vysvětlení pozorovaného přebytku by bylo zapotřebí, aby všechny tři kvarky jednoho srážejícího se protonu „zastavily“ a prošly transformací z hmoty na energii a zpět na hmotu v centru detektoru, přičemž všechny nově vytvořené baryony by se rozprášily pryč od paprsku. Měření elektrického náboje vycházejícího kolmo ke srážce však ukázalo, že se zastavilo nedostatečné množství kvarků k vytvoření pozorovaného počtu baryonů. Odpovědí, podle fyziků STAR, by mohly být právě gluony a konkrétně trojramenná křižovatka gluonů, která normálně drží valenční kvarky pohromadě.