Поиск одной экзотической частицы выявил две странные новые структуры

Физики десятилетиями упорядочивают растущую коллекцию субатомных частиц, однако некоторые открытия по-прежнему не поддаются простой классификации. Исследователи Национальной ускорительной лаборатории Томаса Джефферсона (Jefferson Lab) Министерства энергетики США получили свидетельства существования двух неожиданных структур, которые могут помочь прояснить часть этого всё более запутанного ландшафта частиц.

Сигналы могут пролить свет на загадочную группу объектов, известных как XYZ-состояния. Эти состояния не укладываются в привычную картину частиц, построенных из кварков — фундаментальных строительных блоков материи. Впервые исследователи Jefferson Lab зарегистрировали два таких сигнала, возникших при взаимодействии пучка фотонов высоких энергий с протонной мишенью.

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

«Мы отправились искать подтверждённого кандидата в XYZ-состояния с фотонным пучком, а нашли вместо него две другие структуры, — сказал Мальте Альбрехт, штатный сотрудник Jefferson Lab. — Это новая информация».

Начиная с 1950-х годов эксперименты по столкновениям частиц высоких энергий стали выявлять большое число субатомных частиц, объединённых под названием адронов. Адроны — составные частицы, содержащие два и более кварка, удерживаемых вместе сильным ядерным взаимодействием. Знакомые примеры — протоны и нейтроны, каждый из которых состоит из трёх кварков (впрочем, они были открыты за десятилетия до этого).

Среди вновь открытых адронов были короткоживущие частицы — мезоны. Обычно они состоят из кварка в паре с его антивещественным двойником, антикварком. В 1964 году физики ввели кварковую модель для упорядочения этих связанных состояний. Её ранняя версия содержала три «аромата» кварков: верхний (up), нижний (down) и странный (strange). Верхний и нижний кварки, например, образуют протоны и нейтроны. Верхний, нижний и странный — также три самых лёгких типа кварков.

Физика элементарных частиц снова резко изменилась в 1974 году с открытием более тяжёлого очарованного кварка (charm). В итоге кварковая модель была расширена до шести ароматов. Открытие очарованного кварка помогло построить каркас, ставший Стандартной моделью — общей теорией элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий, — и одновременно расширило известный спектр возможных адронных структур.

По мере того как ускорители становились мощнее, а детекторы чувствительнее, исследователи получили доступ к более тонким физическим процессам. После начала XXI века эксперименты стали выявлять множество адронов с необычными квантовыми свойствами, плохо вписывающихся в исходную кварковую модель.

Открытия накапливались так быстро, что физики приняли общий ярлык «XYZ-состояния» для многих из этих плохо понятых частиц.

«Мы находимся в новой эпохе, похожей на ту, что была семьдесят с лишним лет назад, — сказал Франк Нерлинг, сотрудник коллаборации Jefferson Lab из немецкого Центра Гельмгольца по исследованию тяжёлых ионов (GSI) и Франкфуртского университета имени Гёте. — Сначала был открыт зоопарк адронов. Теперь мы сталкиваемся с зоопарком так называемых экзотических состояний».

Адроны, содержащие очарованный кварк и его антивещественного партнёра, антиочарованный кварк, занимают область адронного спектра с близкими массами, известную как чармоний. Аналогично частицы, содержащие странный и антистранный кварки, населяют область странгеония. Многие XYZ-состояния были обнаружены в этих двух секторах.

В 2006 году исследователи эксперимента BaBar в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США сообщили о возможном странгеониевом состоянии с массой примерно 2,16 млрд электронвольт (2,16 ГэВ). Поскольку его считали кандидатом в XYZ-состояния, частицу обозначили Y(2175). BaBar рождал Y(2175), сталкивая отрицательно заряженные электроны (e⁻) с их положительно заряженными антивещественными двойниками, позитронами (e⁺), — в процессе, известном как e⁺e⁻-аннигиляция.

Y(2175) демонстрировал квантовое поведение, которое, возможно, трудно объяснить обычной кварк-антикварковой парой. Одна из возможностей состоит в том, что это гибридное состояние, включающее два странных кварка и возбуждённые глюоны — частицы, переносящие сильное взаимодействие. Учёные также предполагали, что это может быть четырёхкварковая конфигурация, называемая тетракварком, или молекулоподобная комбинация других составных частиц.

Более поздние эксперименты на электрон-позитронных коллайдерах, включая Пекинский спектрометр (BES) в Китае и Belle в Японии, подтвердили существование Y(2175). Однако до настоящего времени Y(2175) не наблюдался ни в каком процессе, кроме e⁺e⁻-аннигиляции.

«Сложность в том, что по всему миру в очень разных экспериментах получено много измерений, которые должны прийти к консенсусу относительно того, что они видят, — сказал Клаус Гётцен, ещё один физик из GSI, ведущий исследования в Jefferson Lab. — Это сложнее, чем звучит, потому что существуют состояния с близкими массами, которые могут быть, а могут и не быть одним и тем же объектом».

Коллаборация GlueX поставила задачу найти Y(2175) с помощью фоторождения. В этом процессе фотонный пучок бомбардирует протоны в неподвижной мишени. Y(2175) через этот механизм рождения не проявился. Вместо этого исследователи обнаружили нечто неожиданное при близких массах.

Эксперимент GlueX в Jefferson Lab был построен специально для исследования гибридных мезонов — экзотических частиц, в которых возбуждённые глюоны могут напрямую участвовать во внутренней структуре. Квантовая хромодинамика (КХД), теория, описывающая сильное ядерное взаимодействие, предсказывает, что такие состояния должны существовать.

«Возбуждённые глюонные поля — это то, что может присутствовать в таких мезонах, где есть нечто большее, чем просто кварк-антикварковая пара, — сказал Джастин Стивенс, профессор физики Колледжа Уильяма и Мэри и спикер коллаборации GlueX. — Одно из направлений наших исследований — понять, есть ли глюонный вклад в структуру, которую мы наблюдаем».

GlueX использует Ускорительный комплекс непрерывного электронного пучка (CEBAF) — пользовательскую установку Управления науки Министерства энергетики США, обслуживающую более 1700 физиков по всему миру. Ультратонкая алмазная пластина преобразует электроны CEBAF в пучок высокоэнергетических фотонов с параллельными спинами. Миллионы этих фотонов каждую секунду попадают в протоны внутри мишени из жидкого водорода. Спектрометр большого аксептанса регистрирует веер частиц, рождающихся во взаимодействиях.

«Ни один другой эксперимент не располагает установкой с фотонным пучком такой интенсивности при доступной нам энергии, — сказал Альбрехт. — Это действительно уникальная установка».

Эксперимент генерирует огромные объёмы информации — достаточно, чтобы заполнить жёсткий диск обычного ноутбука за считанные минуты. Исследователи искали в этих данных следы Y(2175), который никогда прежде не был подтверждён в фоторождении.

Вместо этого они выявили две структуры с близкими массами, что указывает на возможное столь же необычное происхождение этих объектов. Одна появилась примерно при 2,24 ГэВ и получила обозначение Y(2240). Вторая, названная X(1830), появилась примерно при 1,82 ГэВ.

«Одна из интересных особенностей этого результата в том, что мы не наблюдали Y(2175) там, где искали, — сказал Альбрехт. — Мы нашли нечто новое с помощью совершенно другого физического процесса, и это по-настоящему интригует. Но теперь, когда эти структуры наблюдены, это не значит, что работа закончена».

GlueX зарегистрировал Y(2240) с очень высоким уровнем статистической достоверности, соответствующим доверительному уровню около 99,9994%. Физики называют этот порог значимостью пять сигма (5σ): вероятность того, что сигнал ложный, меньше одной на миллион.

Сигнал X(1830) был слабее, но всё же заметным. Он достиг значимости 3σ, что соответствует доверительному уровню примерно 99,7%.

Теперь, когда измерения получены с такими уровнями значимости, теоретики могут начать вырабатывать новые предсказания о том, что могут представлять собой эти структуры, и какие дополнительные эксперименты позволили бы различить возможные варианты.

«Следующий шаг — выяснить, какие экзотические кварковые конфигурации могла реализовать здесь природа, — сказал Нерлинг. — Теоретики могут прийти к дальнейшим выводам и определить измерения, которые помогут установить истинную природу именно этих состояний».

Исследование также устанавливает верхний предел на вероятность рождения Y(2175) в фотопродукции. Это ограничение поможет физикам проектировать и интерпретировать будущие эксперименты.

Для GlueX два неожиданных сигнала могут стать началом гораздо более широкого исследования экзотических адронов с использованием фотонных пучков высоких энергий.

«Это действительно открывает дверь для целого нового набора измерений адронной спектроскопии, которые мы можем провести на GlueX, — сказал Стивенс. — У нас ещё много неразобранных данных, так что это только начало истории».