Timp de decenii, fizicienii și-au organizat cu migală colecția mereu în creștere de particule subatomice, doar pentru ca unii nou-veniți să refuze să se așeze ordonat în cutiile desemnate. Cercetătorii de la Thomas Jefferson National Accelerator Facility al Departamentului de Energie al SUA au găsit acum dovezi pentru două structuri neașteptate care ar putea ajuta la ordonarea haosului.

Semnalul ar putea elucida stările XYZ – un grup derutant de obiecte care nu se încadrează în imaginea convențională a particulelor formate din quarci, blocurile fundamentale ale materiei. Pentru prima dată, cercetătorii de la Jefferson Lab au detectat două astfel de semnale atunci când un fascicul de fotoni de înaltă energie a lovit o țintă de protoni.

Descoperirile vin de la Colaborarea Gluonic Excitations (GlueX) din Sala Experimentală D de la Jefferson Lab și au fost publicate recent în Physical Review Letters. Rezultatele ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă cum o forță fundamentală a naturii contribuie la formarea materiei.

„Am căutat un candidat XYZ confirmat cu un fascicul de fotoni, dar am găsit în schimb alte două structuri”, a spus Malte Albrecht, om de știință la Jefferson Lab. „Este o informație nouă.” Traducere: au țintit o particulă exotică și au descoperit accidental încă două, ceea ce este fie o victorie uriașă, fie o farsă cosmică.

Începând cu anii 1950, experimentele de coliziune de înaltă energie au scos la iveală o adevărată grădină zoologică de particule subatomice numite hadroni, care sunt particule compozite formate din doi sau mai mulți quarci ținuți împreună de forța nucleară tare. Exemple familiare includ protonii și neutronii, fiecare conținând trei quarci (deși aceștia erau cunoscuți cu mult înainte). Printre noii veniți se numărau particule de scurtă durată numite mezoni, de obicei un quarc împerecheat cu omologul său de antimaterie, antiquarcul.

În 1964, fizicienii au introdus modelul quarcilor pentru a impune ordine acestor stări legate. Cea mai veche versiune avea trei „arome” de quarci: up, down și strange. Quarcii up și down, de exemplu, formează protoni și neutroni; up, down și strange sunt cele mai ușoare tipuri de quarci. Apoi, în 1974, quarcul charm mai greu a apărut și a aruncat o cheie în mecanism – dar a ajutat și la construirea cadrului care a devenit Modelul Standard, teoria largă care descrie particulele elementare și forțele fundamentale, extinzând în același timp spectrul cunoscut al structurilor hadronice.

Pe măsură ce acceleratoarele au devenit mai puternice și detectoarele mai sensibile, cercetătorii au început să vadă procese mai subtile. După 2000, experimentele au început să dezvăluie hadroni cu proprietăți cuantice care nu se potriveau modelului original al quarcilor. Descoperirile s-au acumulat atât de repede încât fizicienii au etichetat multe dintre aceste particule slab înțelese drept stări XYZ.

„Suntem într-o nouă eră aici, similară cu acum 70 și ceva de ani”, a spus Frank Nerling, colaborator la Jefferson Lab de la Centrul GSI Helmholtz pentru Cercetarea Ionilor Grei din Germania și Universitatea Goethe din Frankfurt. „Întâi, a fost descoperită o grădină zoologică de hadroni. Acum, ne confruntăm cu o grădină zoologică de așa-numite stări exotice.”

Hadronii care conțin un quarc charm și partenerul său de anticharm ocupă o regiune de masă numită charmoniu; particulele cu quarci strange și anti-strange populează strangeoniu. Multe stări XYZ au fost observate în aceste sectoare. În 2006, cercetătorii de la experimentul BaBar de la SLAC National Accelerator Laboratory al DOE au raportat o posibilă stare strangeoniu cu o masă de aproximativ 2,16 miliarde de electronvolți (2,16 GeV), desemnând-o Y(2175). BaBar a creat Y(2175) prin ciocnirea electronilor și pozitronilor (anihilare e+e-). Y(2175) a arătat un comportament cuantic care poate fi greu de explicat ca o simplă pereche quarc-antiquarc – ar putea fi o stare hibridă care implică doi quarci strange și gluoni excitați (purtătorii forței tari), un tetraquarc cu patru quarci sau o combinație asemănătoare moleculelor de alte particule compozite.

Experimentele ulterioare de coliziune electron-pozitron (BES în China, Belle în Japonia) au confirmat Y(2175), dar până acum nu fusese văzut prin niciun alt proces decât anihilarea e+e-. „Provocarea este că ai multe me