Μέσα σε κάθε πρωτόνιο υπάρχει ένας αθέατος και εξαιρετικά δυναμικός κόσμος. Τρία κουάρκ σθένους, δύο τύπου up και ένα τύπου down, συνυπάρχουν με γλουόνια και με ένα διαρκώς μεταβαλλόμενο «νέφος» ζευγών κουάρκ και αντικουάρκ.
Για δεκαετίες, οι φυσικοί θεωρούσαν ότι μία από τις θεμελιώδεις ιδιότητες του πρωτονίου, ο λεγόμενος βαρυονικός αριθμός, μοιράζεται στα τρία κύρια κουάρκ του. Νέα πειραματικά αποτελέσματα από τη διεθνή συνεργασία STAR δείχνουν, όμως, ότι η εικόνα μπορεί να είναι διαφορετική.
Ο βαρυονικός αριθμός ενδέχεται να συνδέεται κυρίως με μία ιδιόμορφη διάταξη του γλουονικού πεδίου, έναν «βαρυονικό» ή «γλουονικό κόμβο», που ενώνει τα τρία κουάρκ σε σχηματισμό παρόμοιο με το γράμμα Υ.
Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science και προσφέρουν την ισχυρότερη μέχρι σήμερα πειραματική ένδειξη υπέρ μιας ιδέας που διατυπώθηκε πριν από περίπου μισό αιώνα.
Τι είναι ο βαρυονικός αριθμός
Ο βαρυονικός αριθμός είναι ένας κβαντικός αριθμός που διακρίνει τα βαρυόνια, όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια, από άλλα σωματίδια.
Ένα πρωτόνιο ή νετρόνιο έχει βαρυονικό αριθμό 1. Στην καθιερωμένη περιγραφή, κάθε κουάρκ έχει βαρυονικό αριθμό 1/3, ενώ κάθε αντικουάρκ έχει -1/3. Έτσι, τα τρία κουάρκ ενός πρωτονίου δίνουν συνολικά τη μονάδα.
Η διατήρηση του βαρυονικού αριθμού συνδέεται στενά με τη σταθερότητα του πρωτονίου και, κατ’ επέκταση, με την ύπαρξη των ατόμων και της ορατής ύλης.
Το πρόβλημα είναι ότι οι φυσικοί δεν είχαν επιβεβαιώσει πειραματικά εάν τα κουάρκ αποτελούν πράγματι τους φορείς αυτής της ιδιότητας ή εάν απλώς την ακολουθούν επειδή παραμένουν συνδεδεμένα με μια βαθύτερη γλουονική δομή.
Ο κόμβος που ενώνει τα κουάρκ
Τα γλουόνια είναι τα σωματίδια που μεταφέρουν την ισχυρή πυρηνική δύναμη και συγκρατούν τα κουάρκ μέσα στα πρωτόνια και στα νετρόνια.
Στη θεωρία του βαρυονικού κόμβου, τα τρία κουάρκ συνδέονται με μία ουδέτερη, σχήματος Υ τοπολογία γλουονικών πεδίων. Η ιδέα είναι ότι αυτή η δομή, και όχι τα ίδια τα κουάρκ, μπορεί να αποτελεί τον βασικό φορέα του βαρυονικού αριθμού.
Στις περισσότερες φυσικές διαδικασίες οι δύο περιγραφές δίνουν σχεδόν ίδια αποτελέσματα, επειδή τα κουάρκ και ο κόμβος παραμένουν δεμένα μεταξύ τους. Για να διαπιστώσουν τι πραγματικά μεταφέρει τον βαρυονικό αριθμό, οι ερευνητές έπρεπε ουσιαστικά να δημιουργήσουν συνθήκες στις οποίες η κίνηση των κουάρκ θα μπορούσε να διαχωριστεί από εκείνη της γλουονικής δομής.
Οι συγκρούσεις που έδωσαν την απάντηση
Η ομάδα STAR χρησιμοποίησε δεδομένα από τον Σχετικιστικό Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων RHIC του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven στις Ηνωμένες Πολιτείες.
Οι επιστήμονες μελέτησαν συγκρούσεις πυρήνων ρουθηνίου-96 και ζιρκονίου-96. Οι δύο πυρήνες έχουν τον ίδιο συνολικό αριθμό πρωτονίων και νετρονίων, άρα τον ίδιο βαρυονικό αριθμό, αλλά διαφορετικό ηλεκτρικό φορτίο.
Αυτή η διαφορά επέτρεψε στους ερευνητές να συγκρίνουν τη μεταφορά του βαρυονικού αριθμού με τη μεταφορά του ηλεκτρικού φορτίου.
Εάν και οι δύο ιδιότητες μεταφέρονταν αποκλειστικά από τα ίδια κουάρκ σθένους, θα έπρεπε να κινούνται με παρόμοιο τρόπο μετά τη σύγκρουση. Οι μετρήσεις, όμως, έδειξαν ότι ο βαρυονικός αριθμός μεταφέρθηκε αποτελεσματικότερα από το ηλεκτρικό φορτίο.
Η συνεργασία εξέτασε επίσης φωτονικές συγκρούσεις με πυρήνες χρυσού, καθώς και παλαιότερα δεδομένα από συγκρούσεις χρυσού με χρυσό. Και στις διαφορετικές αυτές δοκιμές, τα αποτελέσματα δεν ταίριαζαν καλά με τα μοντέλα που θεωρούν τα κουάρκ τους μοναδικούς φορείς του βαρυονικού αριθμού.
Ένα πρωτόνιο μπορεί να «αλλάζει» κουάρκ
Η θεωρία του κόμβου οδηγεί σε μία εντυπωσιακή εικόνα. Κατά τη διάρκεια μιας σύγκρουσης, τα αρχικά κουάρκ του πρωτονίου μπορούν να συνεχίσουν την πορεία τους, ενώ ο ελαφρύτερος γλουονικός κόμβος επιβραδύνεται ευκολότερα.
Ο κόμβος μπορεί στη συνέχεια να συνδεθεί με τρία νέα κουάρκ που δημιουργούνται από το κβαντικό κενό και να σχηματίσει ένα νέο βαρυόνιο, διατηρώντας τον αρχικό βαρυονικό αριθμό. Τα κουάρκ που απομακρύνθηκαν μπορούν να συνδεθούν με αντικουάρκ και να δημιουργήσουν μεσόνια, τα οποία έχουν συνολικό βαρυονικό αριθμό μηδέν.
Με απλά λόγια, η κβαντική «ταυτότητα» του πρωτονίου ίσως δεν βρίσκεται στα συγκεκριμένα κουάρκ που περιέχει κάθε στιγμή, αλλά στον τρόπο με τον οποίο τα γλουόνια τα συνδέουν.
Λύνει το μυστήριο ύλης και αντιύλης;
Όχι ακόμη. Η νέα μελέτη δεν εξηγεί από μόνη της γιατί, μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, επέζησε περισσότερη ύλη από αντιύλη.
Το πρόβλημα της κοσμικής ασυμμετρίας απαιτεί έναν μηχανισμό που να εξηγεί πώς δημιουργήθηκε το μικρό αρχικό πλεόνασμα ύλης. Το πείραμα STAR εξετάζει ένα διαφορετικό, αν και συγγενικό ερώτημα: ποια υποατομική δομή μεταφέρει και διατηρεί τον βαρυονικό αριθμό.
Η ανακάλυψη μπορεί να βελτιώσει την κατανόηση της συμπεριφοράς της βαρυονικής ύλης στις ακραίες συνθήκες του πρώιμου Σύμπαντος. Δεν αποτελεί, όμως, απόδειξη για τον μηχανισμό που δημιούργησε την υπεροχή της ύλης έναντι της αντιύλης.
Ισχυρή ένδειξη, όχι τελική απόδειξη
Οι ερευνητές τονίζουν ότι τα δεδομένα αποδυναμώνουν την απλή εικόνα των κουάρκ ως μοναδικών φορέων του βαρυονικού αριθμού, χωρίς να αποδεικνύουν οριστικά την ύπαρξη του βαρυονικού κόμβου.
Περαιτέρω έλεγχοι αναμένονται σε μελλοντικά πειράματα, μεταξύ άλλων στον Επιταχυντή Ηλεκτρονίων–Ιόντων που κατασκευάζεται στο Brookhaven.
Αν η υπόθεση επιβεβαιωθεί, η βασική περιγραφή του πρωτονίου θα αποκτήσει ένα νέο κεφάλαιο: η ουσία της ύλης δεν θα καθορίζεται μόνο από τα σωματίδια που βρίσκονται μέσα της, αλλά και από την αόρατη γεωμετρία των δυνάμεων που τα κρατούν ενωμένα.
