С начала 2000-х годов физики находят все больше экзотических состояний, которые ведут себя не так, как предписывает модель кварков. К ним относят частицы, или состояния XYZ — недавно открытые тяжелые мезоны. Команда ученых из коллаборации GlueX в Национальной ускорительной лаборатории им. Томаса Джефферсона сосредоточилась на одной из частиц XYZ — а именно, на Y (2175), открытой в 2006 году. Тогда ее наблюдали в столкновениях между электронами и позитронами. Теперь же исследователи решили проверить, появится ли Y (2175) в фотон-протонных столкновениях.

Эксперимент GlueX создан для поиска экзотических мезонов, в частности, частиц, существенную роль в которых играют глюоны, говорится в пресс-релизе. Ускоритель направляет электроны на сверхтонкую алмазную пластину, которая преобразует их в пучок высокоэнергетических фотонов с параллельными спинами. Затем эти фотоны сталкивались с протонами в мишени из жидкого водорода, порождая ливни вторичных частиц. Масс-спектрометр регистрирует продукты столкновения, что позволяет исследователям восстановить картину того, какие частицы кратковременно возникали в ходе взаимодействия.

Проанализировав огромный объем данных, ученые обнаружили вместо ожидаемой частицы Y (2175) две структуры — одну с массой 2,24 ГэВ, другую — 1,82 ГэВ. Первая структура — Y (2240) — зафиксирована с достоверностью 5 сигма (99,9994%), что соответствует статусу открытия в физике частиц. Вторая — X (1830) — с достоверностью 3 сигма.

Ученые до сих пор не знают, чем на самом деле являются Y (2240) и X (1830). Они могут представлять собой необычные конфигурации кварков и глюонов либо комбинации уже известных составных частиц.

«В этих мезонах, где присутствует нечто большее, чем просто кварк-антикварковая пара, могут быть задействованы возбужденные глюонные поля. Одно из направлений исследований — попытаться понять, имеется ли глюонный вклад в наблюдаемую нами структуру», — сказал Джастин Стивенс, представитель коллаборации GlueX.

Новые измерения предоставляют данные для проверки конкурирующих гипотез о природе экзотической материи. А также устанавливают верхний предел частоты появления частицы Y (2175) в результате фотонных столкновений, что помогает планировать будущие эксперименты и лучше понимать поведение кварков и глюонов внутри вещества.

Как именно глюоны организованы внутри атомных ядер — одна из самых сложных загадок современной физики. Международная коллаборация ALICE в ЦЕРНе впервые провела многомерное измерение неупругого фотоядерного рождения частиц J/ψ. Это дало ученым возможность различить две конкурирующие теории — «ядерное затенение» и «глюонное насыщение».