수십 년 동안 물리학자들은 점점 늘어나는 아원자 입자들을 고통스럽게 정리해 왔지만, 새로 도착한 입자들이 지정된 상자에 깔끔하게 들어가기를 거부하는 경우가 종종 있다. 미국 에너지부의 토머스 제퍼슨 국립 가속기 연구소의 연구자들은 이제 혼란을 정리하는 데 도움이 될 수 있는 예상치 못한 두 구조에 대한 증거를 발견했다.

이 신호들은 XYZ 상태에 대한 실마리를 제공할 수 있다. XYZ 상태는 물질의 기본 구성 요소인 쿼크로 만들어진 입자에 대한 전통적인 그림에 맞지 않는 수수께끼의 물체 그룹이다. 제퍼슨 연구소 연구진은 고에너지 광자 빔이 양성자 표적에 부딪혔을 때 처음으로 두 개의 그러한 신호를 감지했다.

이 발견은 제퍼슨 연구소의 실험 홀 D에 있는 글루온 여기(GlueX) 협력 연구에서 나온 것으로, 최근 Physical Review Letters에 게재되었다. 이 결과는 과학자들이 자연의 기본 힘 중 하나가 물질 형성에 어떻게 기여하는지 이해하는 데 도움이 될 수 있다.

"우리는 광자 빔으로 확인된 XYZ 후보를 찾으러 갔지만 대신 두 개의 다른 구조를 발견했습니다,"라고 제퍼슨 연구소의 직원 과학자 말테 알브레히트가 말했다. "그것은 새로운 정보입니다." 다시 말해, 그들은 하나의 희귀 입자를 노렸지만 우연히 두 개를 더 발견했는데, 이것은 엄청난 성공이거나 우주의 장난이다.

1950년대 이후, 고에너지 충돌 실험은 강한 핵력에 의해 결합된 두 개 이상의 쿼크로 만들어진 복합 입자인 하드론이라는 아원자 입자의 동물원을 계속해서 발굴해 왔다. 친숙한 예로는 각각 세 개의 쿼크를 포함하는 양성자와 중성자가 있다(그러나 그것들은 훨씬 이전에 알려져 있었다). 새로 온 입자 중에는 일반적으로 쿼크와 그 반물질 상대인 반쿼크가 쌍을 이루는 수명이 짧은 입자인 중간자가 있었다.

1964년, 물리학자들은 이러한 결합 상태에 질서를 부여하기 위해 쿼크 모델을 도입했다. 초기 버전에는 위, 아래, 그리고 기묘라는 세 가지 쿼크 '맛'이 있었다. 예를 들어 위와 아래 쿼크는 양성자와 중성자를 형성하고, 위, 아래, 기묘는 세 가지 가장 가벼운 쿼크 유형이다. 그런 다음 1974년에 더 무거운 매력 쿼크가 나타나 일을 망쳤지만, 기본 입자와 기본 힘을 설명하는 광범위한 이론인 표준 모델이 된 프레임워크를 구축하는 데도 도움이 되었으며, 알려진 하드론 구조의 스펙트럼을 확장했다.

가속기가 더 강력해지고 검출기가 더 민감해짐에 따라 연구자들은 더 미묘한 과정을 보기 시작했다. 2000년 이후, 실험들은 원래 쿼크 모델에 맞지 않는 양자 특성을 가진 하드론을 드러내기 시작했다. 발견이 너무 빨리 쌓여서 물리학자들은 잘 이해되지 않는 많은 입자들에 XYZ 상태라는 꼬리표를 붙였다.

"우리는 지금 70여 년 전과 유사한 새로운 시대에 있습니다,"라고 독일 GSI 헬름홀츠 중이온 연구 센터와 괴테 대학 프랑크푸르트의 제퍼슨 연구소 협력자 프랭크 널링이 말했다. "먼저, 하드론의 동물원이 발견되었습니다. 이제 우리는 소위 외래 상태의 동물원에 직면하고 있습니다."

매력 쿼크와 그 반매력 파트너를 포함하는 하드론은 샤르모늄이라고 불리는 질량 영역을 차지하고, 기묘 및 반기묘 쿼크를 가진 입자는 스트레인지오늄을 채운다. 많은 XYZ 상태가 이러한 영역에서 발견되었다. 2006년, DOE의 SLAC 국립 가속기 연구소의 BaBar 실험 연구자들은 약 21억 6천만 전자볼트(2.16 GeV)의 질량을 가진 가능한 스트레인지오늄 상태를 보고하고 Y(2175)로 지정했다. BaBar는 전자와 양전자를 충돌시켜(e+e- 소멸) Y(2175)를 만들었다. Y(2175)는 평범한 쿼크-반쿼크 쌍으로 설명하기 어려운 양자 거동을 보여주었다. 그것은 두 개의 기묘 쿼크와 여기된 글루온(강한 힘의 전달자)을 포함하는 하이브리드 상태, 4쿼크 테트라쿼크, 또는 다른 복합 입자의 분자와 같은 결합일 수 있다.

이후의 전자-양전자 충돌기 실험(중국의 BES, 일본의 Belle)은 Y(2175)를 확인했지만, 지금까지 e+e- 소멸 이외의 과정을 통해서는 관찰되지 않았다. "도전은 당신이 많은 것을 가지고 있다는 것입니다..."