I decennier har fysiker omsorgsfullt organiserat sin ständigt växande samling av subatomära partiklar, bara för att få några nykomlingar att vägra sitta prydligt i de avsedda lådorna. Forskare vid USA:s energidepartements Thomas Jefferson National Accelerator Facility har nu hittat bevis för två oväntade strukturer som kan hjälpa till att reda ut en del av kaoset.

Signalerna kan kasta ljus över XYZ-tillstånd – en förbryllande grupp objekt som inte passar in i den konventionella bilden av partiklar gjorda av kvarkar, materiens grundläggande byggstenar. För första gången detekterade forskare vid Jefferson Lab två sådana signaler när en stråle av högenergetiska fotoner slog mot ett protonmål.

Resultaten kommer från Gluonic Excitations (GlueX) Collaboration i Experimental Hall D vid Jefferson Lab och publicerades nyligen i Physical Review Letters. Resultaten kan hjälpa forskare att förstå hur en av naturens fundamentala krafter bidrar till att forma materia.

”Vi gick på jakt efter en bekräftad XYZ-kandidat med en fotonstråle men hittade istället två andra strukturer”, säger Malte Albrecht, forskare vid Jefferson Lab. ”Det är ny information.” Översättning: de siktade på en exotisk partikel och råkat upptäcka två till, vilket antingen är en enorm vinst eller ett kosmiskt spratt.

Sedan 1950-talet har högenergetiska kollisionsexperiment grävt fram en veritabel zoo av subatomära partiklar som kallas hadroner, vilka är sammansatta partiklar gjorda av två eller fler kvarkar som hålls samman av den starka kärnkraften. Välkända exempel inkluderar protoner och neutroner, som vardera innehåller tre kvarkar (även om dessa var kända långt tidigare). Bland nykomlingarna fanns kortlivade partiklar som kallas mesoner, vanligtvis en kvark parad med sin antimateria-motsvarighet, antikvarken.

1964 introducerade fysiker kvarkmodellen för att skapa ordning i dessa bundna tillstånd. Den tidigaste versionen hade tre kvark ”smaker”: upp, ner och sär. Upp- och nerkvarkar bildar till exempel protoner och neutroner; upp, ner och sär är de tre lättaste kvarktyperna. Sedan, 1974, dök den tyngre charmkvarken upp och kastade en skiftnyckel i verket – men hjälpte också till att bygga ramverket som blev standardmodellen, den breda teorin som beskriver elementarpartiklar och fundamentala krafter, samtidigt som den utökade det kända spektrumet av hadroniska strukturer.

När acceleratorer blev kraftfullare och detektorer känsligare började forskare se mer subtila processer. Efter 2000 började experiment avslöja hadroner med kvantegenskaper som inte passade in i den ursprungliga kvarkmodellen. Upptäckterna hopade sig så snabbt att fysiker slog etiketten XYZ-tillstånd på många av dessa dåligt förstådda partiklar.

”Vi befinner oss i en ny era här, liknande för 70-odd år sedan”, säger Frank Nerling, en Jefferson Lab-samarbetspartner från Tysklands GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research och Goethe University Frankfurt. ”Först upptäcktes en zoo av hadroner. Nu står vi inför en zoo av så kallade exotiska tillstånd.”

Hadroner som innehåller en charmkvark och dess anticharm-partner upptar en massregion som kallas charmonium; partiklar med sär- och anti-sär-kvarkar befolkar strangeonium. Många XYZ-tillstånd har observerats i dessa sektorer. 2006 rapporterade forskare på BaBar-experimentet vid DOE:s SLAC National Accelerator Laboratory ett möjligt strangeonium-tillstånd med en massa på cirka 2,16 miljarder elektronvolt (2,16 GeV), och betecknade det Y(2175). BaBar skapade Y(2175) genom att kollidera elektroner och positroner (e+e- annihilation). Y(2175) visade kvantbeteende som kan vara svårt att förklara som ett vanligt kvark-antikvark-par – det kan vara ett hybridtillstånd som involverar två särkvarkar och exciterade gluoner (de starka kraftbärarna), en tetraquark med fyra kvarkar, eller en molekyl-liknande kombination av andra sammansatta partiklar.

Senare elektron-positron-kolliderarexperiment (BES i Kina, Belle i Japan) bekräftade Y(2175), men fram till nu hade det inte setts via någon annan process än e+e- annihilation. ”Utmaningen är att du har många me