فیزیک ذرات زیراتمی بار دیگر با شگفتی‌ای روبرو شده است. دانشمندان آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده جفرسون (Jefferson Lab) در جستجوی یک ذره عجیب به نام Y(۲۱۷۵) که از خانواده رمزآلود حالت‌های XYZ محسوب می‌شود، به طور غیرمنتظره‌ای با دو ساختار جدید و ناشناخته روبرو شدند. این کشف که در مجله Physical Review Letters منتشر شده است، می‌تواند درک ما از نحوه ترکیب کوارک‌ها و گلوئون‌ها برای تشکیل ماده را متحول کند.
حالت‌های XYZ گروهی از ذرات زیراتمی هستند که در مدل استاندارد کوارک‌ها به راحتی جای نمی‌گیرند. برخلاف ذرات معمولی مانند پروتون و نوترون که از سه کوارک تشکیل شده‌اند، یا مزون‌ها که از یک کوارک و یک پادکوارک ساخته شده‌اند، این ذرات ممکن است ساختارهای پیچیده‌تری مانند چهار کوارکی (تتراکوارک) یا ترکیبات مولکول‌مانند داشته باشند. کشف جدید از همکاری GlueX در تالار آزمایشی D جفرسون لب به دست آمده است.
پس‌زمینه: از باغ وحش ذرات تا حالت‌های عجیب
از دهه ۱۹۵۰ میلادی، آزمایش‌های برخورد پرانرژی تعداد زیادی از ذرات زیراتمی به نام هادرون را آشکار کردند. هادرون‌ها ذرات مرکبی هستند که از دو یا چند کوارک تشکیل شده و توسط نیروی هسته‌ای قوی به هم متصل می‌شوند. مدل کوارک که در سال ۱۹۶۴ معرفی شد، ابتدا سه نوع (طعم) کوارک شامل بالا، پایین و شگفت را در بر می‌گرفت. اما با کشف کوارک افسون (charm) در سال ۱۹۷۴، این مدل گسترش یافت و به چارچوب نظریه استاندارد ذرات منجر شد.
با افزایش قدرت شتاب‌دهنده‌ها و حساسیت آشکارسازها، از اوایل قرن بیست و یکم، هادرون‌هایی با ویژگی‌های کوانتومی غیرعادی کشف شدند که به راحتی در مدل کوارک جای نمی‌گرفتند. این ذرات با نام عمومی حالت‌های XYZ شناخته شدند. فرانک نرلینگ، یکی از همکاران GlueX از مرکز هلمهولتز آلمان، می‌گوید: «ما در عصر جدیدی هستیم، مشابه ۷۰ سال پیش. ابتدا باغ وحش هادرون‌ها کشف شد، اکنون با باغ وحش حالت‌های به اصطلاح عجیب روبرو هستیم.»
جستجوی Y(۲۱۷۵) در بخش کوارک شگفت
هادرون‌های حاوی کوارک افسون و پادکوارک افسون در ناحیه جرمی مشابهی به نام شارمونیوم (charmonium) قرار می‌گیرند. به طور مشابه، ذرات حاوی کوارک شگفت و پادکوارک شگفت در ناحیه استرنجونیوم (strangeonium) قرار دارند. در سال ۲۰۰۶، آزمایش BaBar در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده SLAC یک حالت استرنجونیوم احتمالی با جرم حدود ۲.۱۶ میلیارد الکترون‌ولت (GeV) گزارش کرد که Y(۲۱۷۵) نام گرفت. این ذره رفتار کوانتومی غیرعادی نشان می‌داد که ممکن است ناشی از یک حالت هیبریدی شامل دو کوارک شگفت و گلوئون‌های برانگیخته باشد.
تاکنون Y(۲۱۷۵) تنها از طریق فرآیند نابودی الکترون-پوزیترون (e+e-) مشاهده شده بود. اما همکاری GlueX تصمیم گرفت این ذره را از طریق فوتوتولید (photoproduction) جستجو کند، فرآیندی که در آن یک پرتو فوتون به پروتون‌های یک هدف برخورد می‌کند. مالته آلبرشت، دانشمند ارشد جفرسون لب، می‌گوید: «ما برای جستجوی یک کاندید تایید شده XYZ با پرتو فوتون رفتیم، اما در عوض دو ساختار دیگر پیدا کردیم.»
کشف دو ساختار جدید: Y(۲۲۴۰) و X(۱۸۳۰)
داده‌های GlueX که از برخورد میلیون‌ها فوتون پرانرژی با پروتون‌های موجود در یک هدف هیدروژن مایع به دست آمد، نشان داد که Y(۲۱۷۵) از طریق این مکانیسم تولید نمی‌شود. در عوض، دو ساختار در جرم‌های نزدیک کشف شدند:
- Y(۲۲۴۰): با جرم تقریبی ۲.۲۴ GeV و با سطح اطمینان آماری بسیار بالا (۵ سیگما) که معادل احتمال خطای کمتر از یک در میلیون است.
- X(۱۸۳۰): با جرم تقریبی ۱.۸۲ GeV و با سطح اطمینان ۳ سیگما (حدود ۹۹.۷٪).
جاستین استیونز، استاد فیزیک دانشگاه ویلیام اند مری و سخنگوی GlueX، می‌گوید: «این واقعاً در را برای مجموعه جدیدی از اندازه‌گیری‌های طیف‌شناسی هادرون با GlueX باز می‌کند. ما داده‌های بسیار بیشتری برای بررسی داریم، بنابراین این فقط آغاز داستان است.»
تحلیل و پیامدها: پنجره‌ای به سوی ماده عجیب
این کشف از چند جهت اهمیت دارد. اول اینکه نشان می‌دهد حالت‌های عجیب XYZ تنها از طریق فرآیندهای خاصی تولید نمی‌شوند و مکانیسم‌های متفاوتی می‌توانند به کشف ذرات جدید منجر شوند. دوم اینکه وجود دو ساختار در مجاورت جرمی Y(۲۱۷۵) ممکن است نشان‌دهنده وجود خانواده‌ای از ذرات با منشأ مشابه باشد. نظریه‌پردازان اکنون می‌توانند با استفاده از این داده‌ها، پیش‌بینی‌های جدیدی در مورد پیکربندی کوارک‌های عجیب ارائه دهند.
آزمایش GlueX با استفاده از شتاب‌دهنده CEBAF، یک منحصربه‌فردترین پرتوهای فوتونی با شدت بالا را در اختیار دارد. کلاس گوتزن، فیزیکدان GSI که در جفرسون لب تحقیق می‌کند، می‌گوید: «چالش این است که اندازه‌گیری‌های زیادی در سراسر جهان در آزمایش‌های بسیار متفاوت وجود دارد که باید درباره آنچه می‌بینند به اجماع برسند. این پیچیده‌تر از آن چیزی است که به نظر می‌رسد، زیرا حالت‌هایی با جرم نزدیک به هم وجود دارند که ممکن است یک چیز باشند یا نباشند.»
این تحقیق همچنین محدودیت بالایی برای احتمال تولید Y(۲۱۷۵) از طریق فوتوتولید تعیین می‌کند که به طراحی آزمایش‌های آینده کمک می‌کند. به گفته فرانک نرلینگ: «قدم بعدی این است که بفهمیم کدام یک از پیکربندی‌های عجیب کوارک در طبیعت تحقق یافته است. نظریه‌پردازان ممکن است به نتایج بیشتری برسند و اندازه‌گیری‌هایی را شناسایی کنند که به تعیین ماهیت واقعی این حالت‌ها کمک کند.»
در مجموع، این کشف نشان می‌دهد که دنیای ذرات زیراتمی هنوز پر از شگفتی است و جستجوی ذرات عجیب می‌تواند درهایی به سوی فیزیک جدید بگشاید. درک ما از نحوه شکل‌گیری ماده از کوارک‌ها و گلوئون‌ها هنوز ناقص است، و هر کشف جدید مانند Y(۲۲۴۰) و X(۱۸۳۰) ما را یک قدم به تصویر کامل‌تر نزدیک‌تر می‌کند.