Physiker haben neue Belege dafür gefunden, wie ein Proton seine Identität trägt – und die Antwort ist seltsamer, als das Schulbuchmodell es lehrt: Nicht die drei Quarks allein bestimmen die Baryonenzahl des Teilchens, sondern ein Geflecht aus Gluonen, die es zusammenhalten.
Die Baryonenzahl ist die Quanteneigenschaft, die ein Teilchen als Materie und nicht als Antimaterie ausweist – sie ist seit der Baryogenese im frühen Universum erhalten. Die konventionelle Vorstellung besagt, dass jedes der drei Valenzquarks im Proton ein Drittel der Baryonenzahl trägt. Eine alternative Hypothese vermutet, dass die Baryonenzahl stattdessen an einer „Baryonen-Verzweigung“ (baryon junction) hängt – einer nicht-störungstheoretischen, Y-förmigen Gluonenkonfiguration.
Um zwischen beiden Ideen zu entscheiden, wertete die STAR-Kollaboration am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) am Brookhaven National Laboratory Kollisionen von Photonen, Goldkernen und Schwerionen aus. Über alle Experimente hinweg wanderte die Baryonenzahl weiter und anders, als zu erwarten wäre, wenn sie an den Quarks „mitreiten“ würde – ein durchgängiger Beleg für das Gluonen-Verzweigungsmodell.
„Unsere Ergebnisse unterstützen stark die Vorstellung, dass die Baryonenzahl bevorzugt von Gluonen getragen und transportiert wird – den Teilchen, die die Quarks zusammenhalten –, wenn sie in dieser besonderen Konfiguration angeordnet sind“, sagte Professor Zhangbu Xu von der Kent State University und dem Brookhaven Lab. Seine Kollegin Dr. Rongrong Ma ergänzte: „Diese neue Erkenntnis verändert, wie wir über die Struktur der Materie denken, und vertieft unser Wissen über das fundamentalste Element, das für das Universum in seiner heutigen Form verantwortlich ist.“
Die Studie wurde am 13. August in der Zeitschrift Science veröffentlicht (STAR Collaboration, „Tracking the baryon number with nuclear collisions“, Science 393 (6812): 727–731). Sie liefert nicht nur ein klareres Bild des Protons – sie hat auch praktische Bedeutung für die Interpretation von Schwerionenkollisionen, etwa bei der Suche nach den Bedingungen des Quark-Gluon-Plasmas, dem Zustand der Materie unmittelbar nach dem Urknall.
