Физиците прекараха десетилетия в опити да организират нарастващата колекция от субатомни частици, но някои от най-необичайните открития все още се противопоставят на простата класификация. В Националния ускорителен център „Томас Джеферсън“ към Министерството на енергетиката на САЩ, изследователи откриха доказателства за две неочаквани структури, които биха могли да помогнат за изясняване на този все по-сложен пейзаж.

Сигналите могат да хвърлят светлина върху озадачаващ клас частици, наречени XYZ състояния. Тези обекти не се вписват удобно в конвенционалната картина на частиците, изградени от кварки, елементарните съставки на материята. За първи път в лабораторията „Джеферсън“ два такива сигнала са наблюдавани, когато лъч от високоенергийни фотони е ударил протонна мишена.

Констатациите идват от сътрудничеството „Глюонни възбуждания“ (GlueX) в експерименталната зала D на лабораторията „Джеферсън“. Разбирането на тези структури би могло да предостави нова информация за това как силното ядрено взаимодействие, една от фундаменталните сили на природата, оформя материята.

„Търсихме потвърден кандидат за XYZ с фотонен лъч, но вместо това открихме две други структури“, казва Малте Албрехт, учен в лабораторията Джеферсън. „Това е нова информация.“

В началото на 50-те години на миналия век, високоенергийните сблъсъци разкриват голяма колекция от субатомни частици, известни като адрони. Тези съставни частици се състоят от два или повече кварка, държани заедно от силното ядрено взаимодействие. Протоните и неутроните, всеки от които е съставен от три кварка, са познати примери, въпреки че и двата са били открити много по-рано.

Сред новонаблюдаваните адрони са краткоживеещи частици, наречени мезони, които обикновено се състоят от кварк, сдвоен с неговия антиматериален аналог - антикварк. Физиците въвеждат кварковия модел през 1964 г., за да организират тези свързани състояния. Първоначалната рамка съдържа три „вкуса“ на кварка: горен, долен и странен. Горните и долните кварки, например, са основните съставки на протоните и неутроните. Заедно със странните кварки, те са най-леките членове на семейството на кварките.

Физиката на елементарните частици се промени драстично след откриването на очарователния кварк, по-тежка разновидност, през 1974 г. Моделът на кварките в крайна сметка се разшири до шест вида, което помогна за установяването на рамката, която стана част от Стандартния модел, по-широката теория, описваща елементарните частици и фундаменталните сили. Той също така предостави начин за организиране на спектъра от адронни структури.

С ускорителите на частици, които ставаха все по-мощни през следващите десетилетия, експериментите ставаха чувствителни към все по-фини процеси. След началото на века физиците започват да откриват много адрони с необичайни квантови свойства, които не могат лесно да бъдат обхванати от оригиналния кварков модел.

Появиха се толкова много, че изследователите приеха общото наименование „XYZ състояния“, докато истинските им структури останаха неясни.

„Намираме се в нова ера, подобна на тази отпреди около 70 години“, обяснява Франк Нерлинг, сътрудник на лабораторията "Джеферсън" от германския център GSI Helmholtz за изследване на тежки йони и университета Гьоте във Франкфурт. „Първо беше открита зоологическа градина от адрони. Сега сме изправени пред зоологическа градина от така наречените екзотични състояния.“

В рамките на адронния спектър частици, съдържащи чаровен кварк и античаровен кварк, заемат масова област, наречена чармоний. Частици, съдържащи странни и антистранни кварки, по подобен начин заселват страннониевата област. В тези сектори са наблюдавани много XYZ състояния.

През 2006 г. изследователи, работещи по експеримента BaBar в Националната ускорителна лаборатория SLAC към Министерството на енергетиката на САЩ, съобщиха за възможно странномониево състояние с маса от около 2,16 милиарда електрон волта (2,16 GeV). Кандидатът XYZ стана известен като Y(2175). BaBar го създаде чрез e+e- анихилация, при която отрицателно заредените електрони (e-) се сблъскват с положително заредените си антиматерийни аналози, позитроните (e+).

Квантовите свойства на Y(2175) може да не отговарят на конвенционална двойка кварк-антикварк. Една от възможностите е, че това е хибридно състояние, включващо странни кварки и възбудени глуони, частиците, които носят силното взаимодействие. Други предложения включват конфигурация от четири кварка, наречена тетракварк, или молекулоподобна подредба на други съставни частици.

По-късни електрон-позитронни (e-e+) експерименти, включително Пекинския спектрометър (BES) в Китай и Belle в Япония, потвърдиха Y(2175). Но до търсенето с GlueX, състоянието не е било наблюдавано чрез друг процес освен e-e+ анихилация.

„Предизвикателството е, че имате много измервания по целия свят в много различни експерименти, които трябва да намерят консенсус за това, което виждат“, включва се Клаус Гьотцен, друг физик от GSI, провеждащ изследвания в лабораторията "Джеферсън". „По-сложно е, отколкото звучи, защото има състояния, които са близки по маса и може или не може да са едно и също нещо.“

GlueX се зае да търси Y(2175), използвайки фотопродукция, процес, при който фотоните взаимодействат с протони вътре в неподвижна цел. Очакваният сигнал Y(2175) не се появи. Вместо това, изследователите откриха две различни структури в една и съща обща масова област.

Експериментът GlueX е създаден специално за изследване на хибридни мезони, частици, чиято вътрешна структура може да включва директен принос от възбудени глуони. Квантовата хромодинамика (КХД), теорията за силното взаимодействие, предсказва, че такива екзотични състояния трябва да съществуват.

„Възбудени глюонни полета са това, което може да има в тези мезони, където имате повече от просто двойката кварк-антикварк“, каза Джъстин Стивънс, професор по физика и говорител на GlueX. „Това е едно от изследванията, за да се опитаме да разберем дали има глюонен принос към структурата, която виждаме.“

GlueX работи с помощта на Ускорителя за непрекъснат електронен лъч (CEBAF), потребителско съоръжение на Службата за наука на Министерството на енергетиката на САЩ, което подкрепя изследвания от над 1700 физици по целия свят. Ултратънка диамантена пластина преобразува електроните на CEBAF във високоенергийни фотони, чиито спинове са подравнени. Милиони от тези фотони удрят протони в течна водородна мишена всяка секунда, произвеждайки дъждове от частици, които се регистрират от спектрометър с голяма акцептация.

„Никой друг експеримент не разполага със съоръжение с фотонен лъч с такава интензивност при енергията, с която разполагаме“, каза Албрехт. „Това наистина е уникална установка.“

Експериментът генерира огромни обеми информация, достатъчни да запълнят твърдия диск на средностатистически лаптоп на всеки няколко минути. Изследователите са търсили в тези данни доказателства за Y(2175), което никога преди не е било потвърждавано чрез фотопродукция.

Вместо това те са идентифицирали две близки структури, които биха могли да принадлежат към същата по-широка категория екзотични адрони. Едната, с маса близо до 2,24 GeV, е обозначена като Y(2240). Втората, наречена X(1830), се появява при приблизително 1,82 GeV.

„Едно от интересните неща за този резултат е, че не наблюдавахме Y(2175) на мястото, където търсехме“, смята Албрехт. „Открихме нещо ново, използвайки напълно различен физичен процес, и това е наистина интригуващо. Но сега, след като тези са наблюдавани, това не означава, че сме приключили.“

Сигналът Y(2240) е наблюдаван с приблизително 99,9994% доверие. Статистически това съответства на значимост пет сигма (5σ), което означава, че вероятността резултатът да е невалиден е по-малка от едно на милион. X(1830) достигна значимост 3σ, което съответства на ниво на доверие от около 99,7%.

Със сигналите, установени на тези нива, теоретиците вече могат да започнат да разработват обяснения за това какви биха могли да бъдат структурите и да предлагат измервания, които биха могли да разграничат възможностите.

„Следващата стъпка е да се разбере кои екзотични кваркови конфигурации природата може да е реализирала тук“, каза Нерлинг. „Теоретиците могат да стигнат до допълнителни заключения и да идентифицират измервания, които биха могли да помогнат за определяне на истинската природа на тези конкретни състояния.“

Експериментът също така установи горна граница за това колко е вероятно Y(2175) да се произвежда чрез фотопродукция. Това ограничение може да информира бъдещите търсения, като същевременно отваря допълнителни възможности за програмата GlueX.

„Това наистина отваря вратата за цял нов набор от измервания с адронна спектроскопия, които можем да направим с GlueX“, завършва Стивънс. „Имаме много повече данни за сортиране, така че това е само началото на историята.“

Снимка: Unsplash/Jefferson Lab illustration/Shannon West/Aileen Devlin

Виж още: Космическо гюле: новооткрита планета има 23 пъти по-голяма маса от нашата, но е само 2.5 пъти по-голяма