شواهد جدید برای «پیوندگاه باریون» معمای ۵۰ ساله ساختار بنیادی پروتون را حل می‌کند

هر کتاب درسی فیزیک دبیرستانی را که باز کنید، تصویر ساده و زیبایی از پروتون خواهید یافت: خوشه‌ای منظم از سه ذره بنیادی به نام کوارک. برای دهه‌ها، دانشمندان و مربیان آموزش می‌دادند که این سه کوارک تنها حاملان ویژگی‌های تعیین‌کننده پروتون هستند، از جمله «عدد باریونی» آن – برچسب هویتی کوانتومی بنیادی که ماده معمولی را از پادماده متمایز می‌کند. در این چارچوب سنتی، کوارک‌ها قهرمانان بلامنازع دنیای زیراتمی هستند که هم بار الکتریکی و هم هویت اصلی ذره را حمل می‌کنند. اما با قدرتمندتر شدن شتاب‌دهنده‌های ذرات و دقیق‌تر شدن آشکارسازها، فیزیکدانان به این نتیجه رسیده‌اند که این تصویر سه‌بخشی و مرتب، اساساً ناقص است و نقش حیاتی نیروهای نامرئی که پروتون را به هم پیوند می‌دهند، نادیده گرفته شده است.[1]

شواهد تجربی جدیدی که در مجله «ساینس» (Science) منتشر شده است، رسماً این فرض دیرینه را زیر و رو کرده است. محققان «همکاری استار» (STAR Collaboration) در «برخورددهنده یون سنگین نسبیتی» (RHIC) نشان داده‌اند که عدد باریونی پروتون در واقع توسط خود کوارک‌ها حمل نمی‌شود. در عوض، این عدد در یک شبکه پیچیده و Yشکل از ذرات بدون جرم به نام گلوئون‌ها قرار دارد که کوارک‌ها را به هم متصل می‌کند – ساختاری نظری که به عنوان «پیوندگاه باریون» (Baryon Junction) شناخته می‌شود. این تیم با ردیابی بقایای برخوردهای هسته‌ای پرانرژی، ثابت کرد که هویت پروتون می‌تواند به طور کامل از کوارک‌های ظرفیتی آن جدا شود و درک ما از نحوه ساخت و نگهداری بلوک‌های سازنده جهان را از اساس بازنویسی کند.[1][3]

این کشف معمای ۵۰ ساله‌ای را در کرومودینامیک کوانتومی (Quantum Chromodynamics)، نظریه جامعی که نیروی هسته‌ای قوی را توصیف می‌کند، حل می‌کند. در حالی که فیزیکدانان نظری برای اولین بار وجود ریاضیاتی پیوندگاه باریون را در دهه ۱۹۷۰ میلادی مطرح کردند و فیزیکدان «دیمیتری خارزیف» (Dmitri Kharzeev) در سال ۱۹۹۶ صراحتاً پیشنهاد کرد که این شبکه گلوئونی ممکن است حامل عدد باریونی باشد، این فرضیه به شکلی سرسختانه اثبات نشده باقی مانده بود. پروتون‌ها فوق‌العاده پایدار و محکم به هم پیوسته‌اند؛ جدا کردن کوارک‌ها از چسب گلوئونی داخلی‌شان برای دیدن اینکه کدام جزء واقعاً هویت ذره را حمل می‌کند، تقریباً غیرممکن به نظر می‌رسید. سال‌ها، جامعه علمی فاقد ابزارهای تجربی لازم برای قضاوت بین مدل سنتی کوارک و فرضیه جایگزین پیوندگاه باریون بود.[1][2]

برای اینکه سرانجام پروتون شکافته شود و عملکرد درونی آن مشاهده گردد، «همکاری استار» از قدرت عظیم برخورددهنده یون سنگین نسبیتی (RHIC) در آزمایشگاه ملی بروکهیون (Brookhaven National Laboratory) در نیویورک استفاده کرد. این تأسیسات که تا اوایل سال ۲۰۲۶ با موفقیت فعالیت می‌کرد، به طور منحصر به فردی مجهز بود تا هسته‌های سنگین طلا و فوتون‌ها را تقریباً تا سرعت نور شتاب دهد و سپس آنها را در برخوردهای شدید، رو در رو و مایل به هم بکوبد. این ضربه‌های شدید، سوپی تریلیون درجه‌ای از بقایای زیراتمی معروف به پلاسمای کوارک-گلوئون ایجاد کرد که به طور لحظه‌ای اجزای داخلی پروتون را از حبس معمول خود آزاد می‌کرد و به آشکارساز عظیم استار اجازه می‌داد تا مسیر ذرات حاصل را ردیابی کند.[1][3]

محققان آزمایش خود را برای ردیابی دو ویژگی خاص در میان بقایای زیراتمی طراحی کردند: بار الکتریکی و عدد باریونی. از آنجایی که کوارک‌های ظرفیتی به طور قطعی حامل بار الکتریکی پروتون هستند، ردیابی حرکت بار به تیم علمی امکان داد تا مسیرهای فیزیکی خود کوارک‌ها را با دقت دنبال کند. اگر مدل سنتی کتاب‌های درسی صحیح بود، عدد باریونی دقیقاً در کنار بار الکتریکی حرکت می‌کرد و بدون توجه به شدت برخورد، محکم به سه کوارک متصل باقی می‌ماند. این دو ویژگی باید در حین حرکت در آشکارساز به طور جدایی‌ناپذیری به هم مرتبط می‌بودند.[1][2]

در عوض، داده‌های تجربی جدایی چشمگیر و ثابتی را بین این دو ویژگی نشان داد. در طول برخوردها، سه کوارک ظرفیتی پروتون همانطور که انتظار می‌رفت، به حرکت رو به جلوی خود در طول لوله پرتو شتاب‌دهنده ادامه دادند و بار الکتریکی خود را حمل کردند. اما عدد باریونی متوقف شد و به صورت عمود بر خط پرتو پخش گردید. کوارک‌ها و هویت بنیادی پروتون کاملاً از هم جدا شده بودند و در جهت‌های کاملاً متفاوتی از طریق منطقه برخورد متراکم و پرانرژی حرکت می‌کردند. این جدایی ثابت کرد که کوارک‌ها نمی‌توانند تنها حامل عدد باریونی باشند، زیرا دیگر در یک مکان قرار نداشتند.[1][2]

این جدایی چشمگیر کاملاً با پیش‌بینی‌های مدل پیوندگاه باریون مطابقت دارد. هنگامی که پروتون با سرعت‌های نسبیتی در هم کوبیده می‌شود، پیکربندی Yشکل گلوئون‌ها – همان پیوندگاه – بسیار راحت‌تر از کوارک‌های ظرفیتی سنگین‌تر، توسط ضربه متوقف می‌شود. از آنجایی که خود پیوندگاه حامل عدد باریونی است، حتی پس از توقف، «پروتون بودن» ذره اصلی را حفظ می‌کند. سپس سه کوارک کاملاً جدید را از خلأ کوانتومی اطراف بیرون می‌کشد تا یک باریون کاملاً جدید تشکیل دهد، در حالی که کوارک‌های اصلی و آزاد شده با پادکوارک‌های تازه تشکیل شده جفت می‌شوند تا ذرات متفاوتی به نام مزون‌ها (mesons) را بسازند.[1][3]

پیامدهای این یافته بسیار فراتر از مکانیک میکروسکوپی شتاب‌دهنده‌های ذرات و صفحات کتاب‌های درسی فیزیک است. پایستگی عدد باریونی یکی از سخت‌ترین و بنیادی‌ترین قوانین در کل فیزیک است؛ از همان لحظات اولیه «بیگ بنگ» (Big Bang)، تعداد کل باریون‌ها در جهان کاملاً ثابت مانده است. درک دقیق اینکه چگونه این ویژگی توسط میدان گلوئونی حمل، منتقل و حفظ می‌شود، برای حل یکی از بزرگترین معماهای باقی‌مانده کیهان‌شناسی حیاتی است: اینکه چرا جهان به جای ترکیبی برابر و متقابلاً نابودکننده از ماده و پادماده، پر از ماده پایدار است.[1][3]

در حالی که نتایج «همکاری استار» متقاعدکننده‌ترین شواهد تجربی را برای وجود و عملکرد پیوندگاه باریون ارائه می‌دهد، کار علمی هنوز به پایان نرسیده است. آزمایش‌های آینده، به ویژه آنهایی که برای «برخورددهنده الکترون-یون» (Electron-Ion Collider) در حال ساخت در آزمایشگاه ملی بروکهیون برنامه‌ریزی شده‌اند، با هدف ترسیم ساختار سه‌بعدی پروتون‌ها و میدان‌های گلوئونی داخلی آنها با دقتی بی‌سابقه انجام خواهند شد. در حال حاضر، این کشف به عنوان یادآوری قدرتمندی عمل می‌کند که بنیادی‌ترین بلوک‌های سازنده جهان بسیار پویاتر، پیچیده‌تر و شگفت‌انگیزتر از مجموعه‌ای ساده از اجزای ایستا هستند.[1][3]