Od dziesięcioleci fizycy starannie porządkują swoją stale rosnącą kolekcję cząstek subatomowych, tylko po to, by niektóre nowe przybysze odmawiały siedzenia w wyznaczonych pudełkach. Naukowcy z Jefferson National Accelerator Facility Departamentu Energii USA znaleźli teraz dowody na dwie nieoczekiwane struktury, które mogą pomóc uporządkować część tego chaosu.
Sygnały mogą rzucić światło na stany XYZ - zagadkową grupę obiektów, które nie pasują do konwencjonalnego obrazu cząstek złożonych z kwarków, podstawowych składników materii. Po raz pierwszy naukowcy z Jefferson Lab wykryli dwa takie sygnały, gdy wiązka wysokoenergetycznych fotonów uderzyła w tarczę protonową.
Wyniki pochodzą z kolaboracji Gluonic Excitations (GlueX) w Experimental Hall D w Jefferson Lab i zostały niedawno opublikowane w Physical Review Letters. Wyniki mogą pomóc naukowcom zrozumieć, w jaki sposób jedna z podstawowych sił natury przyczynia się do tworzenia materii.
"Poszukiwaliśmy potwierdzonego kandydata XYZ za pomocą wiązki fotonów, ale zamiast tego znaleźliśmy dwie inne struktury" - powiedział Malte Albrecht, pracownik naukowy w Jefferson Lab. "To nowa informacja". Tłumaczenie: celowali w jedną egzotyczną cząstkę, a przypadkiem odkryli dwie kolejne, co jest albo ogromnym sukcesem, albo kosmicznym żartem.
Od lat 50. XX wieku eksperymenty zderzeniowe wysokich energii odkrywają prawdziwe zoo cząstek subatomowych zwanych hadronami, które są cząstkami złożonymi z dwóch lub więcej kwarków utrzymywanych razem przez silne oddziaływanie jądrowe. Znane przykłady to protony i neutrony, każdy zawierający trzy kwarki (choć te były znane znacznie wcześniej). Wśród nowych przybyszów były krótkożyciowe cząstki zwane mezonami, zazwyczaj kwark sparowany z jego antymaterialnym odpowiednikiem, antykwarkiem.
W 1964 roku fizycy wprowadzili model kwarkowy, aby narzucić porządek na te stany związane. Najwcześniejsza wersja miała trzy "smaki" kwarków: górny, dolny i dziwny. Kwarki górny i dolny tworzą na przykład protony i neutrony; górny, dolny i dziwny to trzy najlżejsze typy kwarków. Następnie, w 1974 roku, pojawił się cięższy kwark powabny i wrzucił klucz w tryby - ale także pomógł zbudować ramy, które stały się Modelem Standardowym, szeroką teorią opisującą cząstki elementarne i podstawowe siły, jednocześnie rozszerzając znane spektrum struktur hadronowych.
W miarę jak akceleratory stawały się coraz potężniejsze, a detektory coraz czulsze, naukowcy zaczęli dostrzegać subtelniejsze procesy. Po 2000 roku eksperymenty zaczęły ujawniać hadrony o właściwościach kwantowych, które nie pasowały do pierwotnego modelu kwarkowego. Odkrycia piętrzyły się tak szybko, że fizycy przykleili etykietę stanów XYZ wielu z tych słabo poznanych cząstek.
"Jesteśmy w nowej erze, podobnej do tej sprzed ponad 70 lat" - powiedział Frank Nerling, współpracownik Jefferson Lab z niemieckiego GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research i Goethe University Frankfurt. "Najpierw odkryto zoo hadronów. Teraz mamy do czynienia z zoo tak zwanych stanów egzotycznych".
Hadrony zawierające kwark powabny i jego antycząstkę powabną zajmują obszar mas zwany charmonium; cząstki z kwarkami dziwnymi i anty-dziwnymi tworzą strangeonium. Wiele stanów XYZ zaobserwowano w tych sektorach. W 2006 roku naukowcy z eksperymentu BaBar w SLAC National Accelerator Laboratory DOE zgłosili możliwy stan strangeonium o masie około 2,16 miliarda elektronowoltów (2,16 GeV), oznaczając go jako Y(2175). BaBar utworzył Y(2175) poprzez zderzenie elektronów i pozytonów (anihilacja e+e-). Y(2175) wykazywał zachowanie kwantowe, które może być trudne do wyjaśnienia jako zwykła para kwark-antykwark - może to być stan hybrydowy obejmujący dwa dziwne kwarki i wzbudzone gluony (nośniki siły silnej), tetraquark złożony z czterech kwarków lub cząsteczka podobna do kombinacji innych cząstek złożonych.
Późniejsze eksperymenty zderzeniowe elektron-pozyton (BES w Chinach, Belle w Japonii) potwierdziły Y(2175), ale do tej pory nie był on obserwowany w żadnym innym procesie niż anihilacja e+e-. "Wyzwanie polega na tym, że masz wiele me