لعقود من الزمن، كان الفيزيائيون ينظمون بعناية مجموعتهم المتزايدة من الجسيمات دون الذرية، فقط ليرفض بعض الوافدين الجدد الجلوس بدقة في الصناديق المخصصة لهم. وقد وجد باحثون في منشأة توماس جيفرسون الوطنية للمسرع التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية الآن دليلاً على بنيتين غير متوقعتين قد تساعدان في فرز بعض الفوضى.

قد تلقي الإشارات الضوء على حالات XYZ - وهي مجموعة محيرة من الأجسام التي لا تتناسب مع الصورة التقليدية للجسيمات المكونة من الكواركات، وهي اللبنات الأساسية للمادة. ولأول مرة، اكتشف باحثو جيفرسون إشارتين من هذا القبيل عندما اصطدم شعاع من الفوتونات عالية الطاقة بهدف بروتوني.

النتائج تأتي من تعاون Gluonic Excitations (GlueX) في القاعة التجريبية D في مختبر جيفرسون، ونشرت مؤخراً في Physical Review Letters. يمكن أن تساعد النتائج العلماء على فهم كيف تساهم إحدى القوى الأساسية في الطبيعة في تكوين المادة.

"ذهبنا للبحث عن مرشح مؤكد لـ XYZ مع شعاع فوتوني ولكن بدلاً من ذلك وجدنا بنيتين أخريين"، قال مالت ألبرخت، عالم في مختبر جيفرسون. "إنها معلومات جديدة." الترجمة: لقد استهدفوا جسيماً غريباً واحداً واكتشفوا بالصدفة اثنين آخرين، وهو إما فوز كبير أو مزحة كونية.

منذ الخمسينيات، كشفت تجارب التصادم عالي الطاقة عن حديقة حيوانات حقيقية من الجسيمات دون الذرية تسمى الهادرونات، وهي جسيمات مركبة مصنوعة من كواركين أو أكثر متماسكة بواسطة القوة النووية الشديدة. ومن الأمثلة المألوفة البروتونات والنيوترونات، يحتوي كل منها على ثلاثة كواركات (على الرغم من أن هذه كانت معروفة قبل ذلك بوقت طويل). ومن بين الوافدين الجدد جسيمات قصيرة العمر تسمى الميزونات، وهي عادةً كوارك مقترن بنظيره من المادة المضادة، الكوارك المضاد.

في عام 1964، قدم الفيزيائيون نموذج الكوارك لفرض النظام على هذه الحالات المقيدة. كانت النسخة الأولى تحتوي على ثلاثة "نكهات" للكواركات: العلوي والسفلي والغريب. على سبيل المثال، تشكل الكواركات العلوية والسفلية البروتونات والنيوترونات؛ العلوي والسفلي والغريب هي الأنواع الثلاثة الأخف من الكواركات. ثم، في عام 1974، ظهر كوارك السحر الأثقل وألقى مفتاح ربط في الأعمال - ولكنه ساعد أيضاً في بناء الإطار الذي أصبح النموذج القياسي، النظرية الواسعة التي تصف الجسيمات الأولية والقوى الأساسية، مع توسيع الطيف المعروف للهياكل الهادرونية.

مع ازدياد قوة المسرعات وحساسية أجهزة الكشف، بدأ الباحثون في رؤية عمليات أكثر دقة. بعد عام 2000، بدأت التجارب تكشف عن هادرونات ذات خصائص كمومية لا تتناسب مع نموذج الكوارك الأصلي. تراكمت الاكتشافات بسرعة كبيرة لدرجة أن الفيزيائيين أطلقوا على العديد من هذه الجسيمات ضعيفة الفهم اسم حالات XYZ.

"نحن في عصر جديد هنا، مشابه لما قبل 70 عاماً"، قال فرانك نيرلينج، متعاون في مختبر جيفرسون من مركز GSI هيلمهولتز لأبحاث الأيونات الثقيلة في ألمانيا وجامعة جوته في فرانكفورت. "أولاً، تم اكتشاف حديقة حيوانات من الهادرونات. الآن، نواجه حديقة حيوانات من ما يسمى بالحالات الغريبة."

الهادرونات التي تحتوي على كوارك ساحر وشريكه المضاد للسحر تحتل منطقة كتلة تسمى تشارمونيوم؛ الجسيمات ذات الكواركات الغريبة والكواركات المضادة الغريبة تملأ سترانجونيوم. وقد شوهدت العديد من حالات XYZ في هذه القطاعات. في عام 2006، أبلغ الباحثون في تجربة BaBar في مختبر SLAC الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية عن حالة سترانجونيوم محتملة بكتلة تبلغ حوالي 2.16 مليار إلكترون فولت (2.16 GeV)، وأطلقوا عليها اسم Y(2175). أنشأ BaBar Y(2175) عن طريق تصادم الإلكترونات والبوزيترونات (إبادة e+e-). أظهر Y(2175) سلوكاً كمياً قد يكون من الصعب تفسيره كزوج كوارك-كوارك مضاد بسيط - قد يكون حالة هجينة تتضمن كواركين غريبين وغلونات مثارة (حاملات القوة الشديدة)، أو تتراكوارك رباعي الكواركات، أو مزيجاً جزيئياً من جسيمات مركبة أخرى.

أكدت تجارب لاحقة لتصادم الإلكترون-بوزيترون (BES في الصين، Belle في اليابان) وجود Y(2175)، ولكن حتى الآن لم يُشاهد عبر أي عملية غير إبادة e+e-. "التحدي هو أن لديك الكثير من الـ..."