Két új, rejtélyes részecskeszerkezetet fedeztek fel a fizikusok

Újabb tagok a részecskefizika „állatkertjében”

A részecskefizikusok évtizedek óta próbálják rendszerezni a szubatomi részecskék egyre népesebb családját. Az 1950-es évektől kezdve számos hadront fedeztek fel: olyan összetett részecskéket, amelyeket kvarkok tartanak össze az erős kölcsönhatás révén. A proton és a neutron például három kvarkból épül fel, míg a mezonok általában egy kvarkból és egy antikvarkból állnak.

A kvarkmodell az 1960-as években segített rendet teremteni ebben a részecskezűrzavarban, később pedig az újabb és egyre érzékenyebb kísérletek olyan állapotokat is feltártak, amelyek nem illeszkedtek könnyen a hagyományos képbe. Ezeket összefoglalóan XYZ-állapotoknak nevezik.

„Most egy új korszakban vagyunk, hasonlóan ahhoz, ami több mint 70 évvel ezelőtt történt” – fogalmazott Frank Nerling, a német GSI Helmholtz Központ és a Goethe Egyetem kutatója. A fizikus szerint akkor a hadronok „állatkertje”, most pedig az egzotikus állapotok sokasága okoz fejtörést.

A GlueX kutatói eredetileg az Y(2175) nevű, mintegy 2,16 GeV tömegű részecskét próbálták kimutatni. Ez az egzotikus állapot korábban elektron–pozitron ütközésekben már előkerült, ám fotonok segítségével még nem sikerült megfigyelni.

Amit kerestek, nem jelent meg – de két másik igen

A Jefferson Lab kísérletében nagy energiájú fotonnyalábot irányítottak protonokat tartalmazó folyékony hidrogén célpontra. A berendezés másodpercenként több millió fotont képes a célpontra küldeni, miközben a detektor rögzíti az ütközések során létrejövő részecskék sokaságát.

Az Y(2175) helyett azonban két másik, eddig váratlan szerkezet jele rajzolódott ki. Az egyik nagyjából 2,24 GeV tömegű, és az Y(2240) nevet kapta. Ennek jelét a kutatók rendkívül nagy, mintegy 99,9994 százalékos statisztikai bizonyossággal, azaz öt szigmás szinten észlelték.

A másik szerkezet az X(1830), amelynek tömege körülbelül 1,82 GeV. Ennek jele gyengébb, három szigmás szintet ért el, ami mintegy 99,7 százalékos statisztikai bizonyosságnak felel meg.

A kutatók szerint még nem tudni, pontosan mik ezek az objektumok. Lehetséges, hogy különleges, négy kvarkból álló tetraquarkok, részecskemolekulák, vagy olyan úgynevezett hibrid állapotok, amelyekben a kvarkok mellett a gluonok – az erős kölcsönhatást közvetítő részecskék – gerjesztett állapotban közvetlenül részt vesznek a szerkezet kialakításában.

A mostani eredmény ezért nem lezárja, hanem inkább új szakaszba lépteti a kutatást. Az elméleti fizikusok a két jel alapján új modelleket dolgozhatnak ki, amelyek segíthetnek meghatározni az egzotikus állapotok valódi természetét.

A GlueX együttműködés szerint ráadásul még rengeteg adat vár elemzésre. A kutatók úgy vélik, a nagy energiájú fotonnyalábokkal végzett hadronspektroszkópiai vizsgálatoknak ez csupán a kezdete lehet.