Fiziklər onilliklər ərzində artan subatom hissəciklər kolleksiyasını təşkil etməyə çalışsalar da, bəzi kəşflər hələ də asan təsnifata müqavimət göstərir. ABŞ Energetika Nazirliyinin Tomas Cefferson Milli Sürətləndirici Qurğusunun tədqiqatçıları artıq getdikcə daha mürəkkəbləşən hissəcik mənzərəsinin bir hissəsini aydınlaşdırmağa kömək edə biləcək iki gözlənilməz struktur üçün dəlil müəyyən ediblər.

Bu siqnallar XYZ halları kimi tanınan çaşdırıcı bir qrup obyektə işıq sala bilər. Bu hallar maddənin əsas tikinti blokları olan kvarklardan qurulmuş hissəciklərin ənənəvi mənzərəsinə tam uyğun gəlmir. Jefferson Laboratoriyasının tədqiqatçıları ilk dəfə olaraq yüksək enerjili fotonların şüasının proton hədəfi ilə qarşılıqlı təsir göstərməsi zamanı yaranan iki belə siqnal aşkar etdilər.

Tapıntılar Jefferson Laboratoriyasındakı D Eksperimental Zalında aparılan Gluonic Excitations (GlueX) Əməkdaşlıqdan irəli gəlir və bu yaxınlarda Physical Review Letters jurnalında dərc olunub . Nəticələr alimlərə təbiətin fundamental qüvvələrindən birinin maddənin əmələ gəlməsinə necə töhfə verdiyini daha yaxşı başa düşməyə kömək edə bilər.

Jefferson Laboratoriyasının əməkdaşı Malte Albrecht bildirib ki, “Biz foton şüası ilə təsdiqlənmiş XYZ namizədini axtarmağa getdik, amma bunun əvəzinə iki başqa struktur tapdıq. Bu, yeni məlumatdır.”

Hissəciklər Zooparkı Necə Forma Aldı

1950-ci illərdən başlayaraq yüksək enerjili toqquşma təcrübələri çox sayda subatom hissəciklərini aşkar etməyə başladı, onlar birlikdə adronlar kimi tanınır. Adronlar güclü nüvə qüvvəsi ilə bir yerdə saxlanılan iki və ya daha çox kvarkdan ibarət kompozit hissəciklərdir. Tanış nümunələrə hər birində üç kvark olan proton və neytronlar daxildir (baxmayaraq ki, onlar on illər əvvəl müəyyən edilmişdi).

Yeni kəşf edilmiş adronlar arasında mezon adlanan qısaömürlü hissəciklər də var idi. Bunlar adətən antimaddə analoqu olan antikvarkla qoşalaşmış kvarkdan ibarətdir. 1964-cü ildə fiziklər bu bağlı vəziyyətləri təşkil etmək üçün kvark modelini təqdim etdilər. Ən erkən versiyada üç kvark “ətri” var idi: yuxarı, aşağı və qəribə. Məsələn, yuxarı və aşağı kvarklar proton və neytron əmələ gətirən maddələrdir. Yuxarı, aşağı və qəribə də ən yüngül üç kvark növüdür.

1974-cü ildə daha ağır cazibədar kvarkın kəşfi ilə hissəciklər fizikası yenidən kəskin şəkildə dəyişdi. Kvark modeli sonda altı çeşidi əhatə etmək üçün genişləndirildi. Cazibədar kvarkın kəşfi, elementar hissəcikləri və fundamental qüvvələri təsvir edən geniş nəzəriyyə olan Standart Modelə çevrilən çərçivənin qurulmasına kömək etdi, eyni zamanda mümkün hadronik strukturların məlum spektrini genişləndirdi.

Zərrəcik sürətləndiriciləri daha güclü və detektorlar getdikcə həssaslaşdıqca, tədqiqatçılar daha incə fiziki proseslərə çıxış əldə etdilər. 21-ci əsrin əvvəllərindən sonra təcrübələr orijinal kvark modelinə uyğun olmayan qeyri-adi kvant xüsusiyyətlərinə malik bir çox adron aşkar etməyə başladı.

Kəşflər o qədər tez toplandı ki, fiziklər bu zəif başa düşülən hissəciklərin çoxu üçün ümumi etiket XYZ hallarını qəbul etdilər.

Almaniyanın GSI Helmholtz Ağır İon Tədqiqatları Mərkəzi və Frankfurt Göte Universitetinin Jefferson Laboratoriyasının əməkdaşı Frank Nerling bildirib ki, “Biz burada 70 il əvvəlkinə bənzər yeni bir dövrdəyik. Əvvəlcə adronlardan ibarət zoopark kəşf edildi. İndi isə sözdə ekzotik dövlətlərdən ibarət zooparkla qarşılaşırıq.”

Qəribə Kvark Sektorunu Axtarır

Cazibədar kvark və onun antimaddə partnyoru olan anticazibədar kvarkı ehtiva edən adronlar, charmonium kimi tanınan oxşar kütlələrə malik adron spektrinin bir bölgəsini tutur. Eyni şəkildə, qəribə və anti-qəribə kvarkları ehtiva edən hissəciklər strangeonium bölgəsini doldurur. Bu iki sektorda bir çox XYZ halı aşkar edilmişdir.

2006-cı ildə DOE-nin SLAC Milli Sürətləndirici Laboratoriyasında BaBar təcrübəsi üzərində işləyən tədqiqatçılar təxminən 2,16 milyard elektron volt (2,16 GeV) kütləyə malik mümkün strangeonium halını bildirdilər. XYZ namizədi hesab edildiyi üçün hissəcik Y(2175) adlandırıldı. BaBar, mənfi yüklü elektronları (e-) müsbət yüklü antimaddə həmkarları olan pozitronları (e+) ilə toqquşduraraq e+e- məhvi kimi tanınan bir proses vasitəsilə Y(2175) yaratdı.

Y(2175) ənənəvi kvark-antikvark cütlüyü kimi izah edilməsi çətin olan kvant davranışı nümayiş etdirdi. Bir ehtimal, güclü qüvvəni daşıyan hissəciklər olan iki qəribə kvark və həyəcanlanmış qlüonları əhatə edən hibrid vəziyyəti təmsil etməsidir. Alimlər həmçinin bunun tetrakark adlanan dörd kvarklıq konfiqurasiya və ya digər kompozit hissəciklərin molekula bənzər bir kombinasiyası ola biləcəyini irəli sürdülər.

Daha sonra Çində Pekin Spektrometri (BES) və Yaponiyada Belle də daxil olmaqla elektron-pozitron (e-e+) toqquşdurucu təcrübələri Y(2175)-in mövcudluğunu təsdiqlədi. Lakin indiyə qədər Y(2175) e-e+ məhv edilməsindən başqa bir proseslə müşahidə edilməmişdi.

Jefferson Laboratoriyasında tədqiqat aparan başqa bir GSI fiziki Klaus Goetzen bildirib ki, “Çətinlik ondadır ki, dünyada çox fərqli təcrübələrdə bir çox ölçmə aparılır və onlar gördükləri şeylər barədə konsensus tapmalıdırlar. Bu, səsləndiyindən daha mürəkkəbdir, çünki kütlə baxımından yaxın olan və eyni şey ola bilən və ya olmaya bilən hallar var.”

GlueX Əməkdaşlığı fotoproduksiyadan istifadə edərək Y(2175) axtarmağa başladı. Bu prosesdə foton şüası sabit bir hədəfin içərisində saxlanılan protonlara dəyir. Y(2175) bu istehsal mexanizmi vasitəsilə ortaya çıxmadı. Bunun əvəzinə, tədqiqatçılar yaxınlıqdakı kütlələrdə gözlənilməz bir şey aşkar etdilər.

GlueX gözlənilməz bir cüt tapır

Jefferson Laboratoriyasındakı GlueX Təcrübəsi, həyəcanlanmış qlüonların daxili quruluşa birbaşa təsir göstərə biləcəyi ekzotik hissəciklər olan hibrid mezonları araşdırmaq üçün xüsusi olaraq qurulmuşdur. Güclü nüvə qüvvəsini təsvir edən nəzəriyyə olan kvant xromodinamikası (KX) bu cür halların mövcud olduğunu proqnozlaşdırır.

“Həyəcanlanmış qlüon sahələri, yalnız kvark-antikvark cütlüyündən daha çox şeyin olduğu bu mezonlarda ola bilər”, – deyə Uilyam və Meri fizika professoru və GlueX-in sözçüsü Castin Stivens bildirib. “Bu, gördüyümüz quruluşa qlüon töhfəsinin olub-olmadığını anlamağa çalışmaq üçün aparılan araşdırmalardan biridir.”

GlueX, dünyada 1700-dən çox fizik tərəfindən aparılan tədqiqatları dəstəkləyən DOE Elm Ofisinin istifadəçi qurğusu olan Davamlı Elektron Şüası Sürətləndirici Qurğusundan (CEBAF) istifadə edir. Ultra nazik almaz lövhə CEBAF-ın elektronlarını paralel fırlanmaları olan yüksək enerjili fotonlar şüasına çevirir. Bu fotonların milyonlarlası hər saniyə maye hidrogen hədəfinin içərisindəki protonlara dəyir. Daha sonra böyük qəbuledici spektrometr qarşılıqlı təsirlərdə yaranan hissəciklərin püskürməsini qeyd edir.

Albrecht dedi: “Heç bir başqa təcrübədə mövcud enerjimizdə bu intensivlikdə foton şüası olan bir qurğu yoxdur. Bu, həqiqətən də unikal bir qurğudur.”

Təcrübə, orta hesabla bir noutbukun sərt diskini bir neçə dəqiqə ərzində doldurmaq üçün kifayət qədər çoxlu məlumat yaradır. Tədqiqatçılar bu məlumatlarda əvvəllər foto istehsal yolu ilə təsdiqlənməmiş Y(2175) dəlillərini axtardılar.

Bunun əvəzinə, onlar yaxın kütlələrə malik iki struktur müəyyən etdilər ki, bu da obyektlərin oxşar qeyri-adi mənşəyə malik ola biləcəyini göstərir. Biri təxminən 2.24 GeV-də meydana çıxdı və Y(2240) olaraq təyin edildi. İkincisi isə X(1830) adlanaraq təxminən 1.82 GeV-də meydana çıxdı.

Albrecht dedi: “Bu nəticənin maraqlı tərəflərindən biri də axtardığımız yerdə Y(2175) müşahidə etməməyimizdir. Tamamilə fərqli bir fizika prosesindən istifadə edərək yeni bir şey tapdıq və bu, həqiqətən maraqlıdır. Amma indi bunlar müşahidə edildiyi üçün bu, işimizin bitdiyi anlamına gəlmir.”

Yeni siqnallar nə qədər güclüdür?

GlueX, təxminən 99.9994% etibarlılıq səviyyəsinə uyğun olaraq çox yüksək statistik dəqiqliklə Y(2240) aşkar etdi. Fiziklər bu həddi beş sigma (5σ) əhəmiyyəti kimi təsvir edirlər, yəni siqnalın etibarsız olma ehtimalı milyonda birdən azdır.

X(1830) üçün siqnal daha zəif, lakin yenə də nəzərə çarpan idi. Təxminən 99,7% etibarlılıq səviyyəsinə uyğun olaraq 3σ əhəmiyyətinə çatdı.

Artıq bu əhəmiyyətlilik səviyyələrində müəyyən edilmiş ölçmələrlə nəzəriyyəçilər strukturların nəyi təmsil edə biləcəyi və əlavə təcrübələrin hansı imkanları ayırd edə biləcəyi barədə yeni proqnozlar hazırlamağa başlaya bilərlər.

Nerling bildirib ki, “Növbəti addım təbiətin burada hansı ekzotik kvark konfiqurasiyalarını həyata keçirə biləcəyini müəyyən etməkdir. Nəzəriyyəçilər daha çox nəticəyə gələ və bu konkret vəziyyətlərin əsl təbiətini müəyyən etməyə kömək edə biləcək ölçmələr müəyyən edə bilərlər.”

Ekzotik hissəcik axtarışları üçün yeni bir mərhələ

Tədqiqat həmçinin Y(2175)-in fotoproduksiya yolu ilə əmələ gəlmə ehtimalının yuxarı həddini müəyyən edir. Bu məhdudiyyət fiziklərə gələcək təcrübələri dizayn etməyə və şərh etməyə kömək edə bilər.

GlueX üçün iki gözlənilməz siqnal, yüksək enerjili foton şüalarından istifadə edərək ekzotik adronların daha geniş tədqiqatının başlanğıcını qeyd edə bilər.

“Bu, həqiqətən də GlueX ilə edə biləcəyimiz tamamilə yeni bir adron spektroskopiyası ölçmələri üçün qapı açır”, – deyə Stivens bildirib. “Çatdırılmalı olan daha çox məlumatımız var, ona görə də bu, hekayənin yalnız başlanğıcıdır.”