Messungen der STAR-Kollaboration deuten darauf hin, dass eine entscheidende Quanteneigenschaft des Protons in den Gluonen liegen könnte, die seine Quarks binden, und nicht in den Quarks selbst. Das am 13. August in Science veröffentlichte und von Science News vorgestellte Ergebnis zeigt: Teilchenmuster aus hochenergetischen Kernkollisionen passen besser zu einer neutralen, Y-förmigen Gluonenstruktur, die Fachleute Baryonenverbindung nennen und die Baryonenzahl tragen soll. Die Forschenden und unabhängige Physiker betonen, dass der Befund wichtig, aber noch nicht endgültig ist.
Die Baryonenzahl unterscheidet Protonen und Neutronen mit dem Wert 1 von Antibaryonen mit dem Wert minus 1. Ihre Erhaltung in jeder beobachteten Reaktion erklärt mit, warum Protonen nicht einfach zerfallen und gewöhnliche Atome dauerhaft bestehen. Nach der herkömmlichen Erklärung trägt jedes der drei Valenzquarks eines Protons ein Drittel dieser Zahl. Der vor Jahrzehnten entwickelte Gegenentwurf ordnet die ganze Zahl der Verbindung aus Gluonen zu. Diese Teilchen vermitteln die starke Kraft, die Quarks zusammenhält.
STAR prüfte beide Vorstellungen am Relativistic Heavy Ion Collider des Brookhaven National Laboratory im US-Bundesstaat New York. Die Kollaboration analysierte rund 2 Milliarden Kollisionen von Ruthenium 96 und weitere 2 Milliarden Kollisionen von Zirkonium 96; STAR registrierte sie 2018 bei 200 Milliarden Elektronenvolt pro Nukleonenpaar. Beide Kerne besitzen die Massenzahl 96, doch Ruthenium hat 44 Protonen und Zirkonium 40. Dieser Unterschied erlaubte einen Vergleich des Transports der Baryonenzahl mit dem Transport elektrischer Ladung nahe der Strahlmitte unter fast gleichen Detektorbedingungen.
Bei den 10 Prozent zentralsten Kollisionen lag das gemessene, um den Kernunterschied skalierte Verhältnis von Baryonen- zu Ladungstransport bei 1,84. Die statistische, systematische und aus der Neutronenschätzung stammende Unsicherheit betrug 0,02, 0,09 beziehungsweise 0,16. Ein einfaches Valenzquarkbild sagt einen Wert nahe 1 voraus; das UrQMD-Transportmodell ohne Baryonenverbindungen lieferte 0,5 bis 0,7. Laut STAR stoppen impulsarme Gluonenverbindungen leichter nahe der Kollisionsmitte als Valenzquarks, die einen größeren Anteil des ursprünglichen Protonenimpulses behalten.
Als unabhängige Prüfungen nutzte die Kollaboration außerdem Photon-Gold-Wechselwirkungen bei 54,4 Milliarden Elektronenvolt sowie frühere Gold-Gold-Daten. Die Netto-Protonenverteilung der Photon-Gold-Ereignisse hatte eine exponentielle Rapiditätssteigung von 1,04 plus oder minus 0,22; Gold-Gold-Messungen bei mehreren Energien ergaben im Mittel 0,64 plus oder minus 0,05. Beide Werte passen zum vorhergesagten Bereich des Verbindungsmodells von 0,42 bis 1. Die Autoren erklären jedoch, dass heutige Messungen nicht jede Abhängigkeit von Kollisionsbedingungen klären und alternative Theorien weitere Untersuchungen verlangen.
Die von Science News befragten unabhängigen Physiker äußerten sich zurückhaltend. Spencer Klein vom Lawrence Berkeley National Laboratory erklärte, die Arbeit zeige erstmals, dass Experimente beide Bilder unterscheiden können. Chun Shen von der Wayne State University sieht starke Unterstützung für die Verbindungsdeutung, jedoch noch keinen entscheidenden Nachweis. Zi-Wei Lin von der East Carolina University hält Quark- und Verbindungsbeschreibung für möglicherweise vereinbar. Nach Angaben von STAR soll der geplante Electron-Ion Collider in Brookhaven die Verteilung der Baryonenzahl in Kernen direkt kartieren und das wissenschaftliche Erbe von RHIC nach dessen letzten Kollisionen im Februar fortführen.
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