Физики приблизились к разгадке одной из фундаментальных загадок устройства материи: где именно прячется барионное число, гарантирующее сохранение вещества во Вселенной. Долгое время считалось, что оно распределено по кваркам — каждый несет треть единицы, и именно эта сумма обеспечивает неизменность количества материи. Но свежие данные заставляют взглянуть на проблему иначе.
Барионы составляют основу вещества во Вселенной (двумя самыми распространенными видами этих частиц являются протон и нейтрон). В своих опытах физики сталкивают субатомные частицы, создавая при этом барионную материю. Однако во время тех же ударов возникает и такое же количество антиматерии. Таким образом, барионное число должно равняться нулю.
Однако, если бы это было так, то вещества во Вселенной вообще не существовало бы. Барионное число каким-то образом оказывается выше нуля — и в этом один из главных секретов, на который у физиков пока нет ответа.
Ключ к новой картине мира дали эксперименты на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории. Команда проекта STAR изучала столкновения ядер золота и особые случаи взаимодействия ядра с фотоном из встречного пучка. Исследователи искали косвенные признаки того, что барионное число может быть связано не с самими кварками, а с их связями — с так называемым барионным узлом, который формируют глюоны.
В пользу этой гипотезы говорят сразу три наблюдения.
- В редких событиях с фотонами ученые зафиксировали неожиданно большой избыток барионов по сравнению с антибарионами — протонов оказалось заметно больше, чем антипротонов.
- Поперечный поток барионов сохранялся даже при нелобовых, периферийных столкновениях ядер, что плохо согласуется с моделями без барионного узла.
- Суммарный поперечный поток барионного числа вдвое превысил поток электрического заряда — а ведь именно заряд принадлежит кваркам. Чтобы надежно выделить этот эффект, физики сравнивали столкновения ядер циркония и рутения: у них одинаковое число протонов и нейтронов, но разный заряд, что позволило подавить мешающие неопределенности.
Если барионное число сохраняется вместе с кварками, я не думаю, что вы когда‑нибудь сможете объяснить эти данные
Теоретики давно предсказывали возможность такого сценария. Еще в 1996 году Дмитрий Харзеев из Университета Стоуни‑Брук предположил, что барионный узел можно обнаружить по характерному боковому рассеянию: если узел существует, он может отклоняться в сторону и собирать новый барион из трех кварков, тогда как оставшиеся кварки продолжат движение вперед и, скорее всего, образуют мезоны. Теперь экспериментальные данные согласуются с этой картиной.
При этом некоторые специалисты подчеркивают, что вопрос о владельце барионного числа может быть отчасти вопросом формулировки. По словам Зохара Комаргодски из Центра геометрии и физики Саймонса, нельзя отделить узел от прикрепленных к нему кварков, поэтому приписывать число самому узлу или только связанным с ним кваркам — дело выбора описания. Тем не менее совокупность наблюдений действительно плохо укладывается в старые модели.
Открытие переводит барионный узел из области теории в плоскость проверяемых фактов. В будущем его планируют изучать на электронно‑ионном коллайдере, который должен заработать в середине 2030‑х годов. Эти измерения станут важной частью программы новой установки.
Ранее Наука Mail рассказывала, что физики впервые «запутали» на квантовом уровне частицы света из излучения Солнца.