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物理学家寻找一种神秘粒子——却发现两种意外结构
首次尝试使用光子束产生神秘的奇异介子态，产生了重要且意想不到的结果。物理学家们花费了数十年时间试图对不断增长的亚原子粒子集合进行分类，然而一些最不寻常的发现
来源:SciTech日报首次尝试使用光子束产生一种神秘的奇异素态，得到了重要且意外的结果。
物理学家们花了几十年时间试图整理不断增长的亚原子粒子集合，但一些最不寻常的发现仍然难以简单分类。在美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施，研究人员现已检测到两个意外结构的证据，这可能有助于阐明这个日益复杂的图景。
这些信号可能有助于揭示一类称为XYZ态的神秘粒子。这些物体不符合由夸克（物质的基本组成）构建的粒子的常规图景。在杰斐逊实验室，当高能光子束撞击质子靶时，首次观察到两个这样的信号。
这些发现来自杰斐逊实验室实验大厅D的胶子激发合作组，并最近在《物理评论快报》上报道。理解这些结构可能提供关于强核力（自然界基本力之一）如何塑造物质的新信息。
“我们使用光子束寻找一个已确认的XYZ候选者，但反而发现了另外两个结构，”杰斐逊实验室工作人员科学家Malte Albrecht说。“这是新信息。”
奇异粒子超出了夸克模型
从1950年代开始，高能碰撞揭示了一大类称为强子的亚原子粒子。这些复合粒子由两个或更多由强核力结合的夸克组成。质子和中子各由三个夸克组成，是熟悉的例子，尽管两者都更早被发现。
在新观察到的强子中有短寿命粒子介子，通常由一个夸克与其反物质对应物——一个反夸克配对。物理学家在1964年引入夸克模型来组织这些束缚态。原始框架包含三种夸克“味”：上、下和奇异。例如，上和下夸克是质子和中子的基本成分。与奇异夸克一起，它们是夸克家族中最轻的成员。
1974年发现粲夸克——一种更重的变体——后，粒子物理学发生了巨大变化。夸克模型最终扩展到六种味，帮助建立了成为标准模型一部分的框架，标准模型是描述基本粒子和基本力的更广泛理论。它还提供了一种组织强子结构谱的方法。
随着粒子加速器在接下来的几十年中变得更强大，实验对越来越微妙的过程变得敏感。世纪之交后，物理学家开始检测许多具有不寻常量子特性的强子，这些无法被原始夸克模型轻松容纳。
出现得如此之多，以至于研究人员采用了概括性名称“XYZ态”，而它们的真实结构仍然不确定。
“我们正处于一个新纪元，类似于70多年前，”来自德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心和法兰克福歌德大学的杰斐逊实验室合作者Frank Nerling说。“首先，发现了一个强子动物园。现在，我们面临一个所谓的奇异态动物园。”
在强子谱中，包含粲夸克和反粲夸克的粒子占据称为粲素的质量区域。包含奇异和反奇异夸克的粒子同样填充奇异素区域。许多XYZ态已在这些区域被观察到。
2006年，在DOE SLAC国家加速器实验室的BaBar实验上工作的研究人员报告了一个可能的奇异素态，质量约为21.6亿电子伏特。这个XYZ候选者被称为Y(2175)。BaBar通过e+e-湮灭产生它，其中带负电的电子与带正电的反物质对应物——正电子碰撞。
Y(2175)的量子性质可能不符合常规的夸克-反夸克对。一种可能性是它是一个涉及奇异夸克和激发胶子（携带强力的粒子）的混合态。其他提议包括称为四夸克的四夸克配置或其他复合粒子的分子状排列。
后来的电子-正电子实验，包括中国的北京谱仪和日本的Belle，证实了Y(2175)。但在GlueX搜索之前，该态尚未通过除e-e+湮灭以外的任何过程被观察到。
“挑战在于你在世界各地不同实验中有许多测量，必须就它们所看到的东西达成共识，”另一位在杰斐逊实验室进行研究的GSI物理学家Klaus Goetzen说。“这比听起来更复杂，因为有些态的质量相近，可能是也可能不是同一件事。”
一个缺失的信号揭示了两个新结构
GlueX开始使用光生过程搜索Y(2175)，其中光子与静止靶内的质子相互作用。预期的Y(2175)信号没有出现。相反，研究人员在同一大致质量区域发现了两个不同的结构。
GlueX实验是专门为研究混合介子而建造的，这些粒子的内部结构可能包括来自激发胶子的直接贡献。量子色动力学——强力的理论——预测这种奇异态应该存在。
“激发胶子场可能存在于这些介子中，在那里你拥有的不仅仅是夸克-反夸克对，”威廉玛丽物理学教授兼GlueX发言人Justin Stevens说。“这就是调查之一，试图理解我们所见结构中是否存在胶子贡献。”
GlueX使用连续电子束加速器设施运行，这是DOE科学办公室的用户设施，支持全球超过1,700名物理学家的研究。一个超薄金刚石晶片将CEBAF的电子转换为高能光子，其自旋对齐。每秒数百万个这样的光子撞击液氢靶中的质子，产生由大接受度谱仪记录的粒子簇射。
“没有其他实验拥有在我们可用的能量下具有这种强度的光子束设施，”Albrecht说。“这确实是一个独特的设置。”
该实验产生大量信息，足以每隔几分钟填满一个普通笔记本电脑的硬盘。研究人员搜索这些数据以寻找Y(2175)的证据，Y(2175)此前从未通过光生被确认。
相反，他们识别了两个附近的结构，可能属于同一更广泛的奇异强子类别。一个质量接近2.24 GeV，被指定为Y(2240)。第二个称为X(1830)，出现在约1.82 GeV。
“这个结果的一个有趣之处是我们没有在搜索的位置观察到Y(2175)，”Albrecht说。“我们使用完全不同的物理过程发现了一些新东西，这真的很吸引人。但现在这些已被观察到，并不意味着我们完成了。”
一个信号达到了发现级别的确定性
Y(2240)信号以约99.9994%的置信度被观察到。统计上，这对应于五西格玛显著性，意味着结果无效的概率小于百万分之一。X(1830)达到3σ显著性，对应于约99.7%的置信水平。
有了这些水平上建立的信号，理论家现在可以开始解释这些结构可能是什么，并提出可以区分各种可能性的测量。
“下一步是弄清楚自然在这里可能实现了哪种奇异夸克配置，”Nerling说。“理论家可能得出进一步的结论并识别有助于确定这些特定态真实性质的测量。”
该实验还建立了Y(2175)通过光生产生的可能性的上限。这一约束可以为未来搜索提供信息，同时为GlueX计划开辟更多机会。
“它真的为我们可以用GlueX进行的一整套新的强子谱测量打开了大门，”Stevens说。“我们有更多数据需要整理，所以这只是故事的开始。”
参考文献：“Search for the in the Photoproduction Cross Section Measurement of at GlueX” by F. Afzal, M. Albrecht, M. Amaryan, S. Arrigo, V. Arroyave, A. Asaturyan, A. Austregesilo, Z. Baldwin, F. Barbosa, F. Barbosa, J. Barlow, E. Barriga, R. Barsotti, D. Barton, V. Baturin, V.V. Berdnikov, A. Berger, W. Boeglin, M. Boer, W.J. Briscoe, T. Britton, R. Brunner, S. Cao, C. Chen, E. Chudakov, G. Chung, P.L. Cole, O. Cortes, V. Crede, M.M. Dalton, D. Darulis, A. Deur, S. Dobbs, A. Dolgolenko, M. Dugger, R. Dzhygadlo, D. Ebersole, M. Edo, H. Egiyan, P. Eugenio, A. Fabrizi, C. Fanelli, S. Fang, M. Fritsch, S. Furletov, L. Gan, H. Gao, A. Gardner, A. Gasparian, D.I. Glazier, C. Gleason, K. Goetzen, B. Grube, J. Guo, A. Hamdi, J. Hernandez, K. Hernandez, N.D. Hoffman, D. Hornidge, G.M. Huber, P. Hurck, W. Imoehl, D.G. Ireland, M.M. Ito, I. Jaegle, N.S. Jarvis, T. Jeske, M. Jing, R.T. Jones, V. Kakoyan, G. Kalicy, X. Kang, V. Khachatryan, C. Kourkoumelis, A. LaDuke, I. Larin, D. Lawrence, D.I. Lersch, H. Li, B. Liu, K. Livingston, L. Lorenti, V. Lyubovitskij, H. Marukyan, V. Matveev, M. McCaughan, M. McCracken, C.A. Meyer, R. Miskimen, R.E. Mitchell, P. Moran, F. Nerling, L. Ng, E. Nissen, S. Orešić, A.I. Ostrovidov, Z. Papandreou, L. Pentchev, K.J. Peters, L. Puthiya Veetil, S. Rakshit, J. Reinhold, A. Remington, J. Ritman, G. Rodriguez, K. Saldana, S. Schadmand, A.M. Schertz, K. Scheuer, A. Schmidt, R.A. Schumacher, J. Schwiening, M. Scott, N. Septian, P. Sharp, V.J. Shen, X. Shen, M.R. Shepherd, J. Sikes, H. Singh, A. Smith, E.S. Smith, A. Somov, S. Somov, J.R. Stevens, I.I. Strakovsky, B. Sumner, K. Suresh, V.V. Tarasov, S. Taylor, A. Teymurazyan, A. Thiel, M. Thomson, T. Viducic, T. Whitlatch, Y. Wunderlich, B. Yu, J. Zarling, Z. Zhang, X. Zhou and B. Zihlmann, 2026年6月23日,Physical Review Letters。
DOI: 10.1103/jsfs-nq46
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