Міжнародна команда науковців дослідної програми GlueX оголосила про фундаментальне відкриття: під час експериментів на потужному прискорювачі CEBAF у Національній лабораторії імені Томаса Джефферсона (штат Вірджинія, США) зафіксовано дві нові екзотичні частинки — Y(2240) та X(1830).
Результати дослідження отримані в результаті співпраці з дослідження глюонних збуджень (GlueX) в експериментальному залі D лабораторії Джефферсона та нещодавно були опубліковані в журналі Physical Review Letters . Розуміння цих структур може надати нову інформацію про те, як сильна ядерна взаємодія, одна з фундаментальних сил природи, формує матерію.
Як проходив експеримент?
Усередині прискорювача науковці спрямували потужний пучок електронів на тонке алмазне полотно. Це дозволило перетворити їх на струмінь високоенергетичних фотонів (частинок світла). Коли цей фотонний промінь зіштовхнули з протонами рідкого водню, прилади зафіксували появу невідомих науці структур.
Що цікаво — відкриття стало сюрпризом для самих фізиків. Вони шукали зовсім інший гіпотетичний об’єкт Y(2175), але замість нього натрапили на нові стани матерії. Для першої частинки, Y(2240), науковці вже отримали так званий «золотий стандарт» підтвердження (5 сигма), що відповідає чистоті та достовірності результату в 99,9994%.
У Лабораторії імені Томаса Джефферсона так прокоментували цей результат:
«Ми не завжди знаходимо те, що очікуємо, коли заглядаємо всередину матерії. Шукаючи одного екзотичного кандидата, ми натрапили на докази існування двох абсолютно несподіваних структур. Це відкриття може дати нові підказки про природу екзотичних частинок і допомогти краще зрозуміти роль глюонів — носіїв сильної ядерної взаємодії — у формуванні матерії.»
«Ми живемо в нову еру, подібну до тієї, що була близько 70 років тому», — сказав Франк Нерлінг, співробітник Лабораторії Джефферсона з німецького Центру досліджень важких іонів імені Гельмгольца GSI та Франкфуртського університету Гете. «Спочатку було виявлено зоопарк адронів. Тепер ми стикаємося із зоопарком так званих екзотичних станів».
Відсутній сигнал виявив дві нові структури
GlueX вирушив на пошуки Y(2175) за допомогою фотоутворення – процесу, в якому фотони взаємодіють з протонами всередині стаціонарної мішені. Очікуваний сигнал Y(2175) не з’явився. Натомість дослідники виявили дві різні структури в одній загальній області мас.
Експеримент GlueX був створений спеціально для дослідження гібридних мезонів – частинок, внутрішня структура яких може включати прямий внесок від збуджених глюонів. Квантова хромодинаміка (КХД), теорія сильного взаємодії, передбачає існування таких екзотичних станів.
«Збуджені глюонні поля – це те, що може бути в цих мезонах, де є більше, ніж просто пара кварк-антикварк», – сказав Джастін Стівенс, професор фізики Вільяма і Мері та речник GlueX. «Це одне з досліджень, щоб спробувати зрозуміти, чи є глюонний внесок у структуру, яку ми бачимо».
GlueX працює за допомогою Установки безперервного електронно-променевого прискорювача (CEBAF), користувацького центру Управління науки Міністерства енергетики США, який підтримує дослідження понад 1700 фізиків з усього світу. Ультратонка алмазна пластина перетворює електрони CEBAF на високоенергетичні фотони, спіни яких вирівняні. Мільйони цих фотонів щосекунди вражають протони в рідководневій мішені, створюючи зливи частинок, які реєструються широкомасштабним спектрометром.
«Жоден інший експеримент не має установки з фотонним пучком такої інтенсивності при енергії, яка нам доступна», — сказав Альбрехт. «Це справді унікальна установка».
Експеримент генерує величезні обсяги інформації, достатні для заповнення жорсткого диска середньостатистичного ноутбука кожні кілька хвилин. Дослідники шукали в цих даних докази існування Y(2175), які раніше ніколи не були підтверджені за допомогою фотопродукції.
Натомість вони визначили дві близькі структури, які могли б належати до тієї ж ширшої категорії екзотичних адронів. Одна, з масою близько 2,24 ГеВ, була позначена як Y(2240). Друга, названа X(1830), з’явилася приблизно з енергією 1,82 ГеВ.
«Одна з цікавих речей у цьому результаті полягає в тому, що ми не спостерігали Y(2175) у місці, де шукали», – сказав Альбрехт. «Ми знайшли щось нове, використовуючи зовсім інший фізичний процес, і це справді інтригуюче. Але тепер, коли це було спостережено, це не означає, що ми закінчили».
Один сигнал досяг рівня достовірності виявлення
Сигнал Y(2240) спостерігався з рівнем достовірності приблизно 99,9994%. Статистично це відповідає значущості п’ять сигм (5σ), тобто ймовірність того, що результат є недійсним, менша за один на мільйон. X(1830) досяг значущості 3σ, що відповідає рівню достовірності близько 99,7%.
Харківський контекст: школа, яка досліджує субатомний світ
Сьогодні вихованці та дослідники харківської фізичної школи працюють як усередині України, так і у складі міжнародних дослідницьких груп по всьому світу (зокрема в США та CERN), роблячи свій внесок у розгадку таємниць фундаментальної матерії.
Харківські теоретики та експериментатори з Національного наукового центру «ХФТІ» (та випускники Каразінського унівеситету) десятиліттями співпрацюють з Jefferson Lab, беручи участь у моделюванні фотоіндукованих реакцій, розрахунках поляризації фотонів та аналізі даних.
Отримання поляризованого пучка фотонів у Hall D (де стоїть GlueX) спирається на методики фотоядерних реакцій, у розробку яких Харківська школа ядерної фізики зробила фундаментальний внесок. Тому світові фундаментальні дослідження в Лабораторії Джефферсона мають давній і міцний зв’язок із харківською школою ядерної фізики.
Харківські вчені беруть участь у наукових обговореннях, проєктуванні та аналізі даних, пов’язаних із фізикою високих енергій та експериментом GlueX. Участь харківських фізиків у GlueX — це не просто формальний статус. Вчені ННЦ ХФТІ, зокрема група Олександра Гламаздіна, роками працювали над методиками отримання поляризованих пучків фотонів, без яких фізично неможливо було б провести цей експеримент у Hall D. А аналіз даних GlueX став основою для нових українських дисертаційних досліджень та проєктів з модернізації вітчизняної прискорювальної бази. Авторитет харківських фахівців у цій галузі підтверджується й тим, що вони розробляють власний концептуальний проєкт багатофункціонального прискорювача для ХФТІ (MAC NSC KIPT), орієнтуючись на технологічні рішення та архітектуру американського CEBAF.
Що це змінює для науки?
Теоретики вже аналізують велетенський масив експериментальних даних GlueX, щоб зрозуміти, чи здатна сучасна Стандартна модель фізики пояснити ці явища, чи науці доведеться переглядати базові теорії. Дослідники порівнюють нинішній момент із науковим бумом середини XX століття, коли фізики один за одним відкривали нові елементи мікросвіту. Наука фактично вступає в нову епоху вивчення цілого «зоопарку» екзотичних станів матерії, які допоможуть розкрити таємниці того, як формувався Всесвіт у перші мікросекунди після Великого вибуху.
Що це відкриття змінює для нас?
Фундаментальні відкриття в фізиці високих енергій не дають миттєвої побутової користі в день відкриття. Вони збагачують наше розуміння природи Всесвіту і водночас створюють фундамент для технологій майбутнього. Щоб зафіксувати ці частинки, потрібні надекстремальні умові (алмазні мішені, надчутливі сцинтиляційні детектори, швидкодіюча електроніка). Технології, створені для фізики частинок, згодом переходять у:
- Медицину: променева терапія раку (протонна та іонна терапія), точніші сканери ПЕТ/КТ.
- Матеріалознавство: створення надміцних чи термостійких матеріалів.
- IT та аналіз даних: алгоритми для обробки величезних масивів даних (Big Data), розроблені для GlueX, знаходять застосування у цивільному секторі.
За матеріалами: https://gromada.group/news/life/sensaciya-v-fizici-mikrosvitu-yak-vidkrili-novi-ekzotichni-chastinki
та: https://scitechdaily.com/physicists-hunted-a-mysterious-particle-and-found-two-unexpected-structures-instead/