В течение десятилетий физики тщательно систематизировали свою постоянно растущую коллекцию субатомных частиц, но некоторые новички упорно отказываются аккуратно укладываться в предназначенные для них ячейки. Исследователи из Национального ускорительного комплекса Томаса Джефферсона Министерства энергетики США теперь нашли доказательства существования двух неожиданных структур, которые, возможно, помогут навести порядок в этом хаосе.

Сигналы могут пролить свет на XYZ-состояния — загадочную группу объектов, не вписывающихся в обычную картину частиц, состоящих из кварков, фундаментальных строительных блоков материи. Впервые исследователи Jefferson Lab обнаружили два таких сигнала, когда пучок высокоэнергетических фотонов столкнулся с протонной мишенью.

Результаты получены в рамках коллаборации Gluonic Excitations (GlueX) в экспериментальном зале D в Jefferson Lab и недавно опубликованы в Physical Review Letters. Они могут помочь учёным понять, как одна из фундаментальных сил природы участвует в формировании материи.

«Мы искали подтверждённый XYZ-кандидат с помощью фотонного пучка, но вместо этого нашли две другие структуры, — сказал Мальте Альбрехт, штатный учёный Jefferson Lab. — Это новая информация». Другими словами, они целились в одну экзотическую частицу, а случайно обнаружили две другие, что является либо огромным успехом, либо космической шуткой.

Начиная с 1950-х годов эксперименты с высокоэнергетическими столкновениями выявили настоящий зоопарк субатомных частиц, называемых адронами, которые являются составными частицами, состоящими из двух или более кварков, удерживаемых сильным ядерным взаимодействием. Привычные примеры включают протоны и нейтроны, каждый из которых содержит три кварка (хотя они были известны задолго до этого). Среди новичков были короткоживущие частицы, называемые мезонами, обычно кварк в паре со своим антивещественным аналогом — антикварком.

В 1964 году физики представили кварковую модель, чтобы навести порядок в этих связанных состояниях. Самая ранняя версия имела три кварковых «аромата»: верхний, нижний и странный. Верхний и нижний кварки, например, образуют протоны и нейтроны; верхний, нижний и странный — три самых лёгких типа кварков. Затем, в 1974 году, появился более тяжёлый очарованный кварк, который внёс сумятицу, но также помог создать основу для Стандартной модели — общей теории, описывающей элементарные частицы и фундаментальные силы, расширив известный спектр адронных структур.

По мере того как ускорители становились мощнее, а детекторы чувствительнее, исследователи начали замечать более тонкие процессы. После 2000 года эксперименты стали выявлять адроны с квантовыми свойствами, не вписывающимися в исходную кварковую модель. Открытия накапливались так быстро, что физики навесили ярлык XYZ-состояний на многие из этих плохо понятых частиц.

«Мы находимся в новой эре, похожей на ту, что была более 70 лет назад, — сказал Франк Нерлинг, сотрудник Jefferson Lab из немецкого Центра исследования тяжёлых ионов GSI и Франкфуртского университета Гёте. — Сначала был открыт зоопарк адронов. Теперь мы сталкиваемся с зоопарком так называемых экзотических состояний».

Адроны, содержащие очарованный кварк и его античастицу, занимают область масс, называемую чармонием; частицы со странным и антистранным кварками населяют странноний. Многие XYZ-состояния были обнаружены в этих секторах. В 2006 году исследователи эксперимента BaBar на ускорителе SLAC Министерства энергетики США сообщили о возможном страннониевом состоянии с массой около 2,16 миллиарда электронвольт (2,16 ГэВ), обозначив его Y(2175). BaBar создал Y(2175) путём столкновения электронов и позитронов (аннигиляция e+e-). Y(2175) проявляет квантовое поведение, которое трудно объяснить как простую кварк-антикварковую пару — возможно, это гибридное состояние, включающее два странных кварка и возбуждённые глюоны (переносчики сильного взаимодействия), четырёхкварковый тетракварк или молекулярноподобную комбинацию других составных частиц.

Более поздние эксперименты на электрон-позитронных коллайдерах (BES в Китае, Belle в Японии) подтвердили Y(2175), но до сих пор он не наблюдался ни в одном процессе, кроме аннигиляции e+e-. «Проблема в том, что у вас есть много