جست‌وجو برای یک ذره عجیب، دو ساختار جدید و مرموز را آشکار کرد

فیزیکدانان دهه‌هاست که به سازماندهی مجموعه در حال رشد ذرات زیراتمی مشغول هستند، با این حال برخی کشفیات همچنان در برابر طبقه‌بندی ساده مقاومت می‌کنند. پژوهشگران در تأسیسات شتاب‌دهنده ملی توماس جفرسون وابسته به وزارت انرژی ایالات متحده، اکنون شواهدی برای دو ساختار غیرمنتظره شناسایی کرده‌اند که ممکن است به روشن شدن بخشی از این چشم‌انداز پیچیده‌تر ذراتی کمک کنند.

این سیگنال‌ها می‌توانند نورافکنی بر گروهی معماگونه از اشیاء به نام حالت‌های XYZ بیندازند. این حالت‌ها به راحتی در تصویر سنتی ذرات ساخته شده از کوارک‌ها، بلوک‌های سازنده بنیادی ماده، جای نمی‌گیرند. برای نخستین بار، پژوهشگران آزمایشگاه جفرسون دو سیگنال از چنین حالت‌هایی را شناسایی کردند که زمانی ایجاد شدند که پرتویی از فوتون‌های پرانرژی با هدفی از جنس پروتون برهم‌کنش داد.

یافته‌ها حاصل همکاری Gluonic Excitations (GlueX) در سالن آزمایشگاهی D آزمایشگاه جفرسون است و اخیراً در مجله Physical Review Letters منتشر شده‌اند. این نتایج می‌توانند به دانشمندان کمک کنند تا بهتر درک کنند که یکی از نیروهای بنیادی طبیعت چگونه در تشکیل ماده مشارکت دارد.

«ما به دنبال یافتن نامزد قطعی حالت XYZ با استفاده از پرتو فوتون بودیم، اما در عوض دو ساختار دیگر را پیدا کردیم»،» مالته آلبرایش، دانشمند ارشد در آزمایشگاه جفرسون، گفت. «این اطلاعات جدیدی است.»

از آغاز دهه ۱۹۵۰، آزمایش‌های برخورد با انرژی بالا شروع به آشکار کردن تعداد زیادی ذره زیراتمی کردند که به طور جمعی هادرون‌ها نامیده می‌شوند. هادرون‌ها ذرات مرکبی هستند که شامل دو یا چند کوارک می‌باشند که توسط نیروی هسته‌ای قوی کنار هم نگه داشته شده‌اند. نمونه‌های آشنا شامل پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند که هر کدام سه کوارک دارند (هرچند که دهه‌ها پیش شناسایی شده بودند).

در میان هادرون‌های تازه کشف شده، ذراتی کوتاه‌عمر به نام مزون‌ها وجود داشتند. این ذرات معمولاً از یک جفت کوارک و پادکوارک (قرینه ماده) تشکیل شده‌اند. در سال ۱۹۶۴، فیزیکدانان مدل کوارکی را برای سازماندهی این حالت‌های مقید معرفی کردند. نسخه اولیه شامل سه «طعم» کوارک بود: بالا، پایین و عجیب (Strange). کوارک‌های بالا و پایین، برای مثال، مواد تشکیل‌دهنده پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند. بالا، پایین و عجیب، سه سبک‌ترین نوع کوارک نیز محسوب می‌شوند.

فیزیک ذرات در سال ۱۹۷۴ با کشف کوارک سنگین‌تر چارم (Charm) دوباره دگرگون شد. مدل کوارکی در نهایت گسترش یافت تا شش طعم کوارک را در بر بگیرد. کشف کوارک چارم به ساخت چارچوبی کمک کرد که بعدها به مدل استاندارد تبدیل شد؛ نظریه‌ای کلی که ذرات بنیادی و نیروهای اساسی را توصیف می‌کند و همزمان طیف شناخته شده‌ای از ساختارهای هادرونی ممکن را گسترش داد.

با قدرتمندتر شدن شتاب‌دهنده‌های ذرات و حساس‌تر شدن آشکارسازها، پژوهشگران به فرآیندهای فیزیکی ظریف‌تری دسترسی یافتند. پس از آغاز قرن بیست و یکم، آزمایش‌ها شروع به آشکار کردن هادرون‌های بسیاری با خواص کوانتومی غیرمعمول کردند که به راحتی در مدل اولیه کوارکی جای نمی‌گرفتند.

کشفیات آنقدر سریع انباشته شدند که فیزیکدانان برچسب عمومی حالت‌های XYZ را برای بسیاری از این ذرات به خوبی درک نشده انتخاب کردند.

«ما در عصر جدیدی قرار داریم، مشابه آنچه حدود ۷۰ سال پیش رخ داد»،» فرانک نرلینگ، همکار آزمایشگاه جفرسون از مرکز تحقیقات یون‌های سنگین هیلته‌نبورگ GSI آلمان و دانشگاه گوته فرانکفورت، گفت. «ابتدا باغ وحشی از هادرون‌ها کشف شد. اکنون، ما با باغ وحشی از آنچه حالت‌های عجیب نامیده می‌شوند روبرو هستیم.»

هادرون‌هایی که حاوی یک کوارک چارم و قرینه ماده آن، یعنی پادچارم هستند، منطقه‌ای از طیف هادرونی را اشغال می‌کنند که دارای جرم‌های مشابهی تحت عنوان چارمونیم (Charmonium) شناخته می‌شود. به همین ترتیب، ذرات حاوی کوارک‌های عجیب و پادکوارک‌های عجیب، ناحیه استرانجونیوم (Strangonium) را پر می‌کنند. بسیاری از حالت‌های XYZ در این دو بخش شناسایی شده‌اند.

در سال ۲۰۰۶، پژوهشگران حاضر در آزمایش BaBar در آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی SLAC وابسته به DOE، یک حالت احتمالی استرانجونیوم با جرم تقریبی ۲.۱۶ میلیارد الکترون‌ولت (۲.۱۶ GeV) گزارش کردند. از آنجا که این ذره به عنوان نامزد حالت XYZ در نظر گرفته می‌شد، نام Y(2175) به آن اختصاص یافت. آزمایش BaBar ذره Y(2175) را با برخورد الکترون‌های با بار منفی (e-) با قرینه‌های پادذرات خود با بار مثبت، یعنی پوزیترون‌ها (e+)، از طریق فرآیندی به نام نابودی e+e- ایجاد کرد.

ذره Y(2175) رفتاری کوانتومی نشان داد که توضیح آن به عنوان یک جفت کوارک-پادکوارک معمولی ممکن است دشوار باشد. یکی از احتمالات این است که این ذره نمایانگر یک حالت هیبریدی شامل دو کوارک عجیب و گلوئون‌های برانگیخته، ذراتی است که نیروی قوی را حمل می‌کنند. دانشمندان همچنین پیشنهاد کرده‌اند که ممکن است این ذره یک آرایش چهارکوارکی به نام تتراکوارک یا ترکیبی شبیه به مولکول از سایر ذرات مرکب باشد.

آزمایش‌های بعدی برخورددهنده‌های الکترون-پوزیترون (e-e+)، از جمله طیف‌سنج بایژینگ (BES) در چین و Belle در ژاپن، وجود Y(2175) را تأیید کردند. با این حال، تاکنون Y(2175) از طریق فرآیندی غیر از نابودی e-e+ مشاهده نشده بود.

«چالش این است که شما اندازه‌گیری‌های بسیاری در سراسر جهان در آزمایش‌های بسیار متفاوت دارید که باید به توافق برسند که آنچه می‌بینند چیست»،» کلوس گوتزن، فیزیکدان دیگر GSI که در آزمایشگاه جفرسون پژوهش انجام می‌دهد، گفت. «این پیچیده‌تر از آن چیزی است که به نظر می‌رسد، زیرا حالت‌هایی وجود دارند که از نظر جرم نزدیک به هم هستند و ممکن است یا نباشند همان چیز باشند.»

همکاری GlueX به جست‌وجو برای Y(2175) با استفاده از فوتوپیدایش پرداخت. در این فرآیند، یک پرتو فوتون به پروتون‌هایی که در یک هدف ثابت نگهداری می‌شوند، برخورد می‌کند. ذره Y(2175) از طریق این مکانیسم تولید ظاهر نشد. در عوض، پژوهشگران چیزی غیرمنتظره در جرم‌های نزدیک به آن کشف کردند.

آزمایش GlueX در آزمایشگاه جفرسون به طور خاص برای بررسی مزون‌های هیبریدی، ذرات عجیبی که در آن‌ها گلوئون‌های برانگیخته ممکن است مستقیماً در ساختار داخلی مشارکت کنند، ساخته شد. کرومودینامیک کوانتومی (QCD)، نظریه‌ای که نیروی هسته‌ای قوی را توصیف می‌کند، پیش‌بینی می‌کند که چنین حالت‌هایی باید وجود داشته باشند.

«فیلدهای گلوئونی برانگیخته همان چیزی هستند که ممکن است در این مزون‌ها وجود داشته باشد، جایی که بیش از یک جفت کوارک-پادکوارک دارید»،» جاستین استیونس، استاد فیزیک دانشگاه ویلیام اند مری و سخنگوی GlueX، گفت. «این یکی از بررسی‌هاست تا تلاش کنیم بفهمیم آیا مشارکت گلوئونی در ساختاری که می‌بینیم وجود دارد یا خیر.»

آزمایش GlueX از تأسیسات شتاب‌دهنده الکترونی پیوسته (CEBAF) استفاده می‌کند؛ کاربری وابسته به دفتر علوم وزارت انرژی که از پژوهش بیش از ۱۷۰۰ فیزیکدان در سراسر جهان پشتیبانی می‌کند. یک ورق الماس فوق‌باریک، الکترون‌های CEBAF را به پرتویی از فوتون‌های پرانرژی با اسپین‌های موازی تبدیل می‌کند. میلیون‌ها فوتون در هر ثانیه به پروتون‌های داخل یک هدف هیدروژن مایع برخورد می‌کنند. سپس یک طیف‌سنج با پذیرش بزرگ، انفجار ذرات تولید شده در برهم‌کنش‌ها را ثبت می‌کند.

«هیچ آزمایش دیگری تأسیساتی با شدت پرتو فوتونی در این سطح در انرژی موجود ندارد»،» آلبرایش گفت. «این واقعاً یک پیکربندی منحصر به فرد است.»

این آزمایش مقادیر عظیمی از اطلاعات تولید می‌کند، به حدی که ظرف چند دقیقه دیسک سخت یک لپ‌تاپ معمولی را پر می‌کند. پژوهشگران در میان آن داده‌ها به دنبال شواهدی برای Y(2175) گشتند که پیش از این هرگز از طریق فوتوپیدایش تأیید نشده بود.

در عوض، آن‌ها دو ساختار با جرم‌های نزدیک به هم شناسایی کردند که نشان می‌دهد این اشیاء ممکن است منشأهای به同样 غیرمعمولی داشته باشند. یکی در حدود ۲.۲۴ GeV ظاهر شد و نام Y(2240) به آن اختصاص یافت. دومین ساختار، که X(1830) نامیده می‌شود، در حدود ۱.۸۲ GeV ظاهر شد.

«یکی از نکات جالب این نتیجه این است که ما Y(2175) را در جایی که جست‌وجو می‌کردیم مشاهده نکردیم»،» آلبرایش گفت. «ما چیزی جدید را با استفاده از یک فرآیند فیزیکی کاملاً متفاوت پیدا کردیم و این واقعاً جذاب است. اما اکنون که این موارد مشاهده شده‌اند، این بدان معنا نیست که کار تمام شده است.»

همکاری GlueX، Y(2240) را با سطح بسیار بالایی از قطعیت آماری، متناظر با سطح اطمینان حدود ۹۹.۹۹۹۴٪، شناسایی کرد. فیزیکدانان این آستانه را به عنوان اهمیت پنج سیگما (5s) توصیف می‌کنند، به این معنی که احتمال باطل بودن سیگنال کمتر از یک در یک میلیون است.

سیگنال مربوط به X(1830) ضعیف‌تر بود اما همچنان قابل توجه. این سیگنال به اهمیت 3s رسید که متناظر با سطح اطمینان تقریبی ۹۹.۷٪ است.

با تثبیت اندازه‌گیری‌ها در این سطوح از اهمیت، نظریه‌پردازان می‌توانند شروع به توسعه پیش‌بینی‌های جدید درباره اینکه این ساختارها ممکن است نمایانگر چه چیزی باشند و چه آزمایش‌های اضافی می‌تواند بین احتمالات تمایز قائل شود، نمایند.

«گام بعدی این است که مشخص کنیم کدام آرایش‌های عجیب کوارکی طبیعت ممکن است اینجا محقق شده باشد»،» نرلینگ گفت. «نظریه‌پردازان ممکن است به نتیجه‌گیری‌های بیشتری برسند و اندازه‌گیری‌هایی را شناسایی کنند که می‌تواند به تعیین ماهیت واقعی این حالت‌های خاص کمک کند.»

این مطالعه همچنین یک حد بالا برای احتمال تولید Y(2175) از طریق فوتوپیدایش تعیین می‌کند. این محدودیت می‌تواند به فیزیکدانان در طراحی و تفسیر آزمایش‌های آینده کمک کند.

برای GlueX، این دو سیگنال غیرمنتظره ممکن است آغازگر کاوشی بسیار گسترده‌تر از هادرون‌های عجیب با استفاده از پرتوهای فوتون پرانرژی باشد.

«این واقعاً در را برای مجموعه‌ای کاملاً جدید از اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی هادرونی که می‌توانیم با GlueX انجام دهیم، باز می‌کند»،» استیونس گفت. «ما داده‌های بسیار بیشتری برای پردازش داریم، بنابراین این تنها آغاز داستان است.»