Physiker der STAR-Kollaboration am RHIC-Beschleuniger des Brookhaven National Laboratory haben Daten präsentiert, die das herkömmliche Bild der Protonenstruktur in Frage stellen. Den neuen, in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Ergebnissen zufolge könnte die Baryonenzahl – eine fundamentale Eigenschaft, die die Stabilität der Materie bestimmt – nicht nur von drei Valenzquarks, sondern auch von einer Y-förmigen Konfiguration der diese verbindenden Gluonen getragen werden.
Traditionell ging man davon aus, dass jeder der drei Quarks innerhalb eines Protons ein Drittel der Baryonenzahl trägt. Eine Analyse von Kernkollisionen am RHIC zeigte jedoch, dass diese vereinfachte Vorstellung den beobachteten Überschuss an Baryonen, die senkrecht zur Strahlrichtung emittiert werden, nicht erklärt.
Die Forscher verglichen die Verteilung der Baryonenzahl mit der Umverteilung der elektrischen Ladung in denselben Ereignissen. Es zeigte sich, dass etwa doppelt so viele Baryonen entstanden, als man allein von den zum Stillstand gekommenen Quarks erwarten würde. Diese Diskrepanz deutet auf einen zusätzlichen Mechanismus für den Transport der Baryonenzahl hin.
Wissenschaftler bringen dies mit einer „baryonischen Verbindung“ in Verbindung – einer Gluonenstruktur, die erstmals in den 1970er Jahren vorgeschlagen wurde. Im Jahr 1996 postulierte Dmitri Kharzeev, dass genau diese Y-förmige Konfiguration und nicht die Quarks selbst für die Erhaltung der Baryonenzahl verantwortlich sein könnte. Die neuen STAR-Daten stützen diese Hypothese.
Bei Hochenergiekollisionen kommt die Gluon-Verbindung leichter zum Stillstand als Valenzquarks. Einmal gestoppt, „zieht“ sie drei neue Quarks aus dem Vakuum und bildet ein neues Baryon, während die ursprünglichen Quarks ihre Bewegung entlang des Strahls fortsetzen. Ein solcher Mechanismus erklärt den Überschuss an Baryonen im mittleren Bereich des Detektors besser.
Die Erhaltung der Baryonenzahl ist ein Grund, warum Protonen über eine Zeitspanne, die das Alter des Universums übersteigt, stabil bleiben. Sie ist auch mit der Asymmetrie von Materie und Antimaterie im Kosmos verbunden. Wenn Gluonen tatsächlich eine Schlüsselrolle in diesem Prozess spielen, dann erfordert die Vorstellung des Protons als einfaches Objekt aus drei Quarks eine Überarbeitung.
„Unsere Ergebnisse stellen die lange etablierte Annahme in Frage, dass die Baryonenzahl einfach zwischen drei Quarks aufgeteilt wird“, bemerkt der Physiker Rongrong Ma aus Brookhaven. Wie genau diese Entdeckung die Modelle der Quantenchromodynamik und das Verständnis des frühen Universums beeinflussen wird, werden weitere Untersuchungen zeigen.
