Фізики виявили два нові дивні стани частинок у GlueX-експерименті

19 серпня 2026 р. 19:37

19 серпня 2026 р. 19:37

Ядерні фізики з Національної лабораторії ім. Томаса Джефферсона (Jefferson Lab) у США повідомили про виявлення двох несподіваних структур у світі субатомних частинок. Під час пошуку вже відомого екзотичного стану Y(2175) вони натомість зафіксували два нові сигнали в так званому «дивному» кварковому секторі. Про результати, отримані колаборацією GlueX в Експериментальному залі D, йдеться в публікації в журналі Physical Review Letters, на яку звертає увагу Newswise Science News .

Від зоопарку адронів до зоопарку екзотичних станів

Ще в 1950-х роках фізики почали відкривати в зіткненнях на високих енергіях велику кількість субатомних частинок, які назвали адронами. Це складені об’єкти з двох або більше кварків, зв’язаних сильною взаємодією. Найвідоміші адрони — протони й нейтрони — складаються з трьох кварків.

Серед нових частинок виділили мезони — короткоживучі стани, що зазвичай містять кварк і відповідний йому антикварк. Для впорядкування цього різноманіття у 1964 році було запропоновано кваркову модель, яка спочатку включала три «смаки» кварків: верхній (up), нижній (down) і дивний (strange). Пізніше відкриття важчих кварків, зокрема чарівного (charm) у 1974 році, розширило модель до шести типів кварків і стало основою Стандартної моделі елементарних частинок.

З розвитком прискорювачів і детекторів на межі XX–XXI століть фізики почали фіксувати нові адрони з незвичними квантовими властивостями, які не вписуються в просту схему «кварк–антикварк». Так з’явився клас так званих XYZ-станів — екзотичних об’єктів, природа яких досі не до кінця зрозуміла.

Дивний сектор і загадковий Y(2175)

У спектрі адронів виділяють області, де частинки містять певні типи кварків. Наприклад, стани з чарівним і античарівним кварком утворюють «чармоній», а частинки зі дивним і антидивним кварками — «стрейнджоній» (strangeonium). Багато XYZ-станів належать саме до цих секторів.

У 2006 році експеримент BaBar у лабораторії SLAC повідомив про можливий стан у дивному секторі з масою близько 2,16 гігаелектронвольта (2,16 ГеВ), позначений як Y(2175). Його отримували в процесі анігіляції електрона та позитрона (e+e−). Квантові характеристики Y(2175) вказували, що це може бути не просто пара «кварк–антикварк».

Серед можливих інтерпретацій розглядалися гібридний стан із двома дивними кварками, в якому важливу роль відіграють збуджені глюони (носії сильної взаємодії), тетракварк із чотирьох кварків або навіть «молекула» з кількох складених частинок. Інші експерименти на електрон-позитронних колайдерах у Китаї (BES) та Японії (Belle) підтвердили існування Y(2175), але цей стан досі не спостерігали в інших типах процесів.

Саме тому команда GlueX вирішила пошукати Y(2175) іншим шляхом — у фотопродукції, коли пучок фотонів взаємодіє з протонами в нерухомій мішені. Однак замість очікуваного сигналу вони побачили щось інше поруч за масою.

Унікальний експеримент GlueX і нові сигнали

Експеримент GlueX у Jefferson Lab створено для пошуку гібридних мезонів, у структурі яких збуджені глюонні поля безпосередньо беруть участь нарівні з кварками. Теорія квантової хромодинаміки (QCD), що описує сильну взаємодію, передбачає існування таких екзотичних станів.

Для цього GlueX використовує електронний прискорювач CEBAF. За допомогою надтонкої алмазної пластинки електрони перетворюють на пучок високоенергетичних фотонів із паралельними спінами. Щосекунди мільйони таких фотонів влучають у протони в рідководневій мішені, а утворений «дощ» частинок реєструє великий спектрометр із широким кутовим охопленням.

За словами дослідників, жоден інший експеримент не має настільки інтенсивного фотонного пучка на подібних енергіях, тож установка є унікальною. Вона генерує гігантські обсяги даних — стільки, скільки заповнило б жорсткий диск звичайного ноутбука за кілька хвилин.

Переглядаючи ці дані в пошуках Y(2175), команда натрапила на два нові сигнали з близькими масами, що вказує на їхній зв’язок із дивним сектором. Один із них має масу близько 2,24 ГеВ і отримав позначення Y(2240). Інший, X(1830), відповідає масі приблизно 1,82 ГеВ.

Дослідники підкреслюють, що сам факт відсутності Y(2175) у фотопродукції та поява натомість двох інших структур робить результат особливо цікавим: це свідчить про те, що різні механізми утворення частинок можуть «відкривати» різні сторони екзотичних станів.

Надійність результатів і подальші кроки

Сигнал Y(2240) було виявлено з дуже високою статистичною достовірністю — близько 5 сигма (5σ), що відповідає рівню впевненості приблизно 99,9994%. Імовірність того, що це випадкове коливання, менша ніж один шанс на мільйон.

Для X(1830) значущість становила 3σ, тобто близько 99,7% упевненості. Такий рівень вважають сильним свідченням, але для повного підтвердження зазвичай потрібні додаткові вимірювання.

Тепер слово за теоретиками: їм належить запропонувати можливі конфігурації кварків і глюонів, які могли б пояснити природу Y(2240) та X(1830), а також запропонувати нові експерименти для перевірки цих гіпотез. Результати GlueX також дозволили встановити верхню межу ймовірності утворення Y(2175) у фотопродукції, що допоможе планувати майбутні дослідження.

Фізики наголошують, що це лише початок: у них ще багато невикористаних даних, а відкриття нових структур відкриває шлях до цілої серії вимірювань у спектроскопії адронів. Це має поглибити розуміння того, як сильна взаємодія формує матерію на найфундаментальнішому рівні.

Наука