Поиски загадочной частицы привели к обнаружению двух новых структур
Экспериментаторы, пытавшиеся обнаружить редкое экзотическое состояние Y(2175), получили неожиданный результат. Вместо искомой частицы международная коллаборация GlueX обнаружила признаки двух других структур — Y(2240) и X(1830). Одна из них зарегистрирована с уровнем статистической значимости, соответствующим общепринятому критерию открытия в физике элементарных частиц.
Результаты были получены на ускорительном комплексе Thomas Jefferson National Accelerator Facility в США. Исследование может помочь разобраться в природе так называемых экзотических адронных состояний и лучше понять сильное взаимодействие — фундаментальную силу, связывающую кварки внутри протонов, нейтронов и других составных частиц.
За последние десятилетия физики обнаружили целый ряд короткоживущих частиц, которые получили условное название XYZ-состояний. Многие из них не удаётся однозначно описать в рамках традиционной модели, согласно которой мезон состоит из кварка и антикварка. Предполагается, что некоторые из таких объектов могут иметь более сложную внутреннюю структуру, включающую необычные комбинации кварков или значительный вклад глюонных полей.
Одним из наиболее загадочных кандидатов считается Y(2175), также известный как φ(2170). Его впервые обнаружили в 2006 году в эксперименте BaBar, а позднее существование структуры получило поддержку в экспериментах BES и Belle. Однако все эти наблюдения были сделаны при столкновениях электронов и позитронов.
Коллаборация GlueX решила проверить, возникает ли Y(2175) при совершенно другом механизме — фотонном взаимодействии.
Для этого использовался ускоритель CEBAF, где пучок электронов направляли на сверхтонкую алмазную мишень. В результате формировался интенсивный пучок высокоэнергетических фотонов. Затем эти фотоны сталкивались с протонами в мишени из жидкого водорода, создавая множество вторичных частиц.
Детектор GlueX регистрировал продукты столкновений, позволяя восстановить характеристики нестабильных состояний, существовавших лишь чрезвычайно короткое время.
Искомый Y(2175) в ожидаемой области масс обнаружить не удалось. Однако анализ огромного массива данных выявил две другие структуры.
Первая, получившая обозначение Y(2240), имеет массу около 2,24 ГэВ. Её сигнал достиг статистической значимости 5σ, что соответствует примерно 99,9994% уровню уверенности. В физике элементарных частиц именно порог в пять стандартных отклонений традиционно считается критерием для объявления наблюдения нового эффекта.
Вторая структура, X(1830), имеет массу около 1,82 ГэВ. Её статистическая значимость составила 3σ, или примерно 99,7%. Такой результат представляет серьёзный интерес, однако требует дальнейшего подтверждения независимыми измерениями и дополнительным анализом.
Теперь физикам предстоит выяснить, что именно представляют собой эти состояния. Они могут оказаться необычными мезонами, экзотическими комбинациями кварков и антикварков или системами, в которых важную роль играет возбуждённое глюонное поле.
Глюоны являются переносчиками сильного взаимодействия и удерживают кварки вместе. В обычных адронах их роль заключается прежде всего в передаче сильного взаимодействия между кварками. Однако некоторые теоретические модели допускают существование состояний, где глюонная компонента становится важной частью внутренней структуры самой частицы.
Новые данные также позволили установить ограничения на вероятность образования Y(2175) в фотонных взаимодействиях. Это поможет уточнить будущие эксперименты и проверить различные теоретические модели, описывающие экзотические адронные состояния.
Исследователи подчёркивают, что обнаружение необычных структур ещё не означает окончательного понимания их природы. Для этого потребуются дополнительные измерения, более детальный анализ характеристик распада и сравнение результатов с теоретическими расчётами.
У коллаборации GlueX остаётся значительный объём ещё не обработанных данных. Новые результаты могут расширить список известных экзотических состояний и приблизить физиков к пониманию того, какие сложные конфигурации кварков и глюонов действительно существуют в природе.
открывает новые возможности для изучения сильного взаимодействия и проверки границ современной модели элементарных частиц.