一次对奇异偶素的失败搜寻揭示了两种奇异粒子结构

5σ信号为理论学家检验是否存在异常夸克与胶子排布提供了新靶标。

粒子动物园变得更加奇异了。物理学家在搜寻一种 elusive 的奇异粒子时，反而发现了两种意外结构的证据，这些结构并不符合人们熟悉的夸克成对结合的图景。

“我们在这里进入了一个新时代，类似于七十多年前。当时先是发现了一大群强子。如今，我们面对的是一大群所谓的奇异态，”研究人员之一、德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心的科学家Frank Nerling说。

这项来自美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器实验室的发现，可能为研究人员提供新线索，帮助他们理解强核力——把原子核束缚在一起的力——如何构建自然界中一些最有趣的粒子。

一场搜寻，却发现了别的东西

这个谜团始于XYZ态，这是自2000年代初以来在实验中出现的一批不断增多的短寿命粒子。问题在于，如果它们像传统夸克模型所认为的那样只是由一个夸克和一个反夸克组成，那么其中许多粒子的行为并不符合预期。

一个尤其令人困惑的例子是Y(2175)，这是一种可能的奇异偶素粒子，质量约为2.16 GeV。它于2006年首次由美国能源部SLAC国家加速器实验室的BaBar实验报道。

后来，北京谱仪和日本Belle实验的观测支持了它的存在，但所有这些观测都来自电子与正电子的对撞。

这留下了一个重大问题——当Y(2175)以完全不同的方式产生时，它也会出现吗？

杰斐逊实验室GlueX合作组的研究人员着手寻找答案。结果，他们的实验发现了附近两个结构的证据：Y(2240)，质量约为2.24 GeV；以及X(1830)，质量约为1.82 GeV。

“我们用光子束去寻找一个已被确认的XYZ候选粒子，却发现了另外两个结构。这是新信息，”研究人员之一、杰斐逊实验室的 staff scientist Malte Albrecht说。

把电子变成寻找粒子的束流

GlueX实验的目的是研究奇异介子，特别是那些胶子——传递强核力的粒子——可能直接发挥作用的粒子。

研究人员利用杰斐逊实验室的连续电子束加速器装置（CEBAF）产生该实验独特的探针。CEBAF把电子射向一块超薄金刚石晶片，将其转化为具有平行自旋的高能光子束。

这些光子随后撞击液氢靶中的质子，产生大量次级粒子。一台大型谱仪记录了所产生的碎片，使研究人员能够重建碰撞中短暂存在过的粒子。

这项实验的规模极其庞大。每秒有数百万个光子击中靶标，产生的数据量在几分钟内就能填满一块普通笔记本电脑硬盘。

“没有其他实验装置能在我们所拥有的能量下提供如此强度的光子束。这确实是一个独一无二的装置，”Albrecht说。

研究人员从这一庞大数据库中筛选，专门寻找Y(2175)的证据。它并没有出现在他们预期的地方。相反，两个结构在不同的质量处显现。

“这个结果的一个有趣之处在于，我们没有在我们搜寻的位置观测到Y(2175)。我们通过一个完全不同的物理过程发现了新东西，这非常令人着迷。但现在这些结构被观测到了，并不意味着我们就此结束，”Albrecht说。

Y(2240)的证据尤其有力，达到了五西格玛（5σ）显著性，即约99.9994%的置信度。而X(1830)达到了3σ显著性，对应约99.7%的置信度。

这一差异很重要：Y(2240)信号达到了粒子物理学观测中常用的五西格玛标准，而较弱的X(1830)信号还需要进一步证据来确定其性质。

两条新线索，但还没有最终答案

找到这些结构只是开始。科学家仍不知道Y(2240)和X(1830)究竟是什么。它们可能涉及夸克、胶子的异常排布，或者是已知复合粒子的组合。

“这些介子中可能存在激发的胶子场，其中包含的不只是夸克-反夸克对。这是研究内容之一：试图理解我们所看到的结构中是否存在胶子的贡献，”物理学教授、GlueX代表Justin Stevens说。

新的测量结果为理论学家提供了新的靶标，用以检验对奇异物质的各种竞争性解释。这些结果还为Y(2175)通过光子碰撞产生的频率设定了上限，从而帮助研究人员设计未来的实验，并更好地理解夸克和胶子在物质内部的行为。

“下一步是弄清楚自然界可能在这里实现了哪些奇异的夸克组态。理论学家可能会得出进一步的结论，并确定哪些测量能够帮助厘清这些特定态的真实本质，”Nerling补充道。

还有大量GlueX数据有待分析，研究人员预计粒子动物园会变得更加拥挤——而且，或许也会变得更容易理解一些。

这项工作是一项更广泛努力的一部分，旨在检验粒子物理学的标准模型，并理解这个熟悉的框架能否充分解释在日益精确的实验中所发现的粒子。

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