ブルックヘブン国立研究所のRHIC加速器で活動するSTARコラボレーションの物理学者たちは、陽子の構造に関する従来の認識に疑問を投げかけるデータを発表しました。Science誌に掲載された新たな研究結果によると、物質の安定性を決定する根源的な特性であるバリオン数は、3つの価電子クォークだけでなく、それらを結合するY字型のグルーオン構造によっても運ばれる可能性があるというのです。
これまで、陽子内部の3つのクォークそれぞれがバリオン数の3分の1を担っていると伝統的に考えられてきました。しかし、RHICにおける原子核衝突の分析により、この単純化された見方では、ビーム方向に対して垂直に飛び出すバリオンの観測された過剰量を説明できないことが明らかになりました。
研究者たちは、バリオン数の分布を、同じ事象における電荷の再分布と比較しました。その結果、静止したクォークのみから予想される量の約2倍のバリオンが生成されていることが判明しました。この不一致は、バリオン数を輸送する追加のメカニズムの存在を示唆しています。
科学者たちはこれを、1970年代に初めて提唱されたグルーオンの構造である「バリオン結合」と関連付けています。1996年には、ドミトリー・ハルツェフが、バリオン数の保存はクォーク自体ではなく、このY字型の構造が担っている可能性があると提唱しました。今回のSTARの新たなデータは、この仮説を裏付けるものとなっています。
高エネルギー衝突において、グルーオン結合は価電子クォークよりも容易に静止します。静止すると、それは真空から3つの新しいクォークを「引き出し」、新しいバリオンを形成する一方で、元のクォークはビームに沿って運動を続けます。このようなメカニズムは、検出器の中間領域におけるバリオンの過剰量をよりよく説明できるとされています。
バリオン数の保存は、陽子が宇宙の年齢を超える期間にわたって安定している理由の一つです。これはまた、宇宙における物質と反物質の非対称性にも関連しています。もしグルーオンがこのプロセスにおいて本当に重要な役割を担っているとすれば、陽子が3つのクォークからなる単純な物体であるという見方は再考を迫られるでしょう。
ブルックヘブンの物理学者ロンロン・マ氏は、「我々の結果は、バリオン数が単に3つのクォーク間で分割されるという長年確立されてきた考えに異議を唱えるものです」と述べています。この発見が量子色力学のモデルや初期宇宙の理解に具体的にどのような影響を与えるかは、今後の研究によって明らかになるでしょう。
