جست‌وجو برای یک ذره عجیب به کشف دو ذره ختم شد: ذرات XYZ درباره مرزهای مدل استاندارد چه می‌گویند؟

اگر قرار باشد «مدل استاندارد» فیزیک ذرات همچنان کتاب قانون قطعی جهان باقی بماند، یک محدودیت سفت‌وسخت باید پابرجا بماند: نیروی هسته‌ای قوی، کوارک‌ها را در پیکربندی‌های پیش‌بینی‌پذیر و صلبِ دو یا سه‌تایی به هم پیوند می‌دهد. دهه‌هاست که این مرز ریاضی توانسته هر هادرونی را که فیزیک‌دانان از دل شتاب‌دهنده‌ها بیرون کشیده‌اند، با موفقیت دسته‌بندی کند. اما هرچه آشکارسازها حساس‌تر می‌شوند، این شرط بنیادین به شکلی آشکار در حال فروپاشی است. در «تأسیسات شتاب‌دهنده ملی توماس جفرسون» متعلق به وزارت انرژی ایالات متحده، تلاشی برای تأیید یک ناهنجاری، در عوض دو ناهنجاری کاملاً جدید به بار آورده است؛ اتفاقی که نشان می‌دهد نیروی قوی قادر به ساخت ماده‌ای عجیب است که مدل سنتی کوارک به‌سادگی نمی‌تواند آن را توضیح دهد.[2][3]

این آزمایش که توسط تیم همکاری «برانگیختگی‌های گلوئونی» (GlueX) در سالن آزمایشی D آزمایشگاه جفرسون انجام شد، در ابتدا به عنوان یک شکار هدفمند طراحی شده بود. پژوهشگران قصد داشتند Y(2175) را پیدا کنند؛ یک ذره عجیبِ پیش‌بینی‌شده که اولین بار در سال ۲۰۰۶ توسط آزمایش BaBar در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده SLAC استنفورد رؤیت شد. مشاهدات قبلی از Y(2175) بر پایه نابودی الکترون-پوزیترون بود؛ فرآیندی که در آن ماده و پادماده با هم برخورد کرده و یکدیگر را نابود می‌کنند. تیم GlueX می‌خواست وجود این ذره را با استفاده از مکانیزمی کاملاً متفاوت تأیید کند: تولید نوری (photoproduction)، که در آن یک پرتو پرشدت از فوتون‌های هم‌تراز به سمت هدفی از هیدروژن مایع شلیک می‌شود.[2]

وقتی پرتو فوتون به پروتون‌های هدف برخورد کرد، سیگنال مورد انتظار Y(2175) به‌سادگی ناپدید شد. در عوض، خروجی عظیم داده‌ها — که هر چند دقیقه هارد دیسک یک لپ‌تاپ معمولی را پر می‌کند — دو ساختار غیرمنتظره را در همان محدوده جرمی کلی آشکار کرد. ساختار اول که Y(2240) نام گرفت، در حدود ۲.۲۴ میلیارد الکترون‌ولت (GeV) با سطح معناداری آماری پنج سیگما ظاهر شد؛ به این معنی که احتمال مثبت کاذب بودن آن کمتر از یک در میلیون است. ساختار دوم، یعنی X(1830)، در حدود ۱.۸۲ GeV با سطح اطمینان سه سیگما پدیدار شد.[2][3]

مالته آلبرشت، دانشمند آزمایشگاه جفرسون، می‌گوید: «ما با یک پرتو فوتون به دنبال یک کاندیدای تأییدشده از ذرات XYZ رفتیم، اما در عوض دو ساختار دیگر پیدا کردیم. یکی از نکات جالب درباره این نتیجه آن است که ما Y(2175) را در جایی که جست‌وجو می‌کردیم ندیدیم. ما با استفاده از یک فرآیند فیزیکی کاملاً متفاوت چیز جدیدی کشف کردیم و این واقعاً جذاب است.»[2]

غیبت ذره مورد انتظار و ظهور ناگهانی دو ذره جدید، به فهرست رو به رشد «ذرات XYZ» می‌افزاید — اصطلاحی جامع که فیزیک‌دانان برای ساختارهای زیراتمیِ گریزپا از دسته‌بندی‌های مرسوم به کار می‌برند. در مدل استاندارد کوارک، ذراتی که حاوی کوارک‌های شگفت و پادشگفت هستند، در محدوده جرمیِ موسوم به استرنجونیوم (strangeonium) قرار می‌گیرند. اما ویژگی‌های کوانتومی این ساختارهای جدید نشان می‌دهد که آن‌ها جفت‌های ساده کوارک-پادکوارک نیستند.[1][2][3]

فیزیک‌دانان اکنون در حال بررسی سه توضیح اصلی برای چیزی هستند که آشکارساز GlueX واقعاً ثبت کرده است. این ساختارها می‌توانند مزون‌های هیبریدی باشند که شامل یک جفت کوارک-پادکوارک هستند که توسط یک گلوئون برانگیخته — ذره حامل خودِ نیروی قوی — به هم متصل شده‌اند. از سوی دیگر، ممکن است تتراکوارک باشند؛ یک پیکربندی محکم از چهار کوارک، یا یک حالت مولکولی که در آن دو ذره مرکب مجزا به دور یکدیگر می‌چرخند. تأیید هر یک از این پیکربندی‌ها، شواهد مستقیمی از برانگیختگی‌های گلوئونی پیش‌بینی‌شده توسط کرومودینامیک کوانتومی (نظریه توصیف‌کننده نیروی قوی) ارائه می‌دهد.[2][3]

فرانک نِرلینگ، همکار آزمایشگاه جفرسون از مرکز تحقیقات یون سنگین هلمهولتز GSI آلمان، خاطرنشان کرد: «ما اینجا در عصر جدیدی هستیم، شبیه به حدود ۷۰ سال پیش. ابتدا باغ‌وحشی از هادرون‌ها کشف شد. حالا با باغ‌وحشی از ذرات به‌اصطلاح عجیب روبه‌رو هستیم.»[2]

پیامدهای این کشف بسیار فراتر از آزمایشگاه ویرجینیاست. در آن سوی اقیانوس اطلس، برخورددهنده هادرونی بزرگ در سرن (CERN) در حال حاضر یک ارتقای عظیم «درخشندگی بالا» را پشت سر می‌گذارد که برای افزایش ده‌برابری نرخ برخوردها تا سال ۲۰۳۰ طراحی شده است. پژوهشگران در آنجا نیز به طور مشابه در حال شکار پدیده‌های نادر و انحرافات از مدل استاندارد هستند، به این امید که حجم عظیم داده‌ها معماری زیربنایی ماده تاریک و هادرون‌های عجیب را آشکار کند. نتایج آزمایشگاه جفرسون ثابت می‌کند که حتی در مقیاس‌های انرژی پایین‌تر، به کارگیری یک فرآیند فیزیکی متفاوت مانند تولید نوری می‌تواند طبیعت را وادار کند تا ساختارهایی را که برخورددهنده‌های سنتی از دست می‌دهند، برملا سازد.[1][2]

برای فیزیک‌دانان نظری، وظیفه فوری توسعه مدل‌های ریاضی است که بتوانند بین یک مزون هیبریدی، یک تتراکوارک و یک حالت مولکولی بر اساس الگوهای واپاشی خاص مشاهده‌شده توسط GlueX تمایز قائل شوند. این آزمایش همچنین یک حد بالای قطعی برای احتمال تولید Y(2175) از طریق تولید نوری تعیین کرد؛ محدودیتی که اجراهای آینده شتاب‌دهنده‌ها را هدایت خواهد کرد. در حالی که تیم همکاری GlueX به غربال کردن میلیون‌ها برخورد ثبت‌شده ادامه می‌دهد، سیگنال تأییدشده بعدی تعیین خواهد کرد که آیا مدل کوارک تنها به یک الحاقیه نیاز دارد، یا یک بازنویسی کامل.[2][3]