物理學家搜尋奇異偶素未果 反發現兩個新粒子結構

粒子動物園的版圖變得更加詭譎。物理學家原本致力於搜尋一種難以捉摸的奇異粒子,結果卻發現兩個意外結構的證據,這些結構無法簡單納入傳統的夸克成對束縛模型。「我們正進入一個新時代,如同七十多年前一樣。起初,人們發現了大量強子;如今,我們正面對所謂奇異態的動物園。」來自德國 GSI Helmholtz 重離子研究中心的科學家 Frank Nerling 表示。美國能源部 Thomas Jefferson 國家加速器設施的研究成果,可望為研究強核力如何建構自然中最有趣的粒子提供新線索,而強核力正是維繫原子核穩定的關鍵力量。

這場探索始於 XYZ 態,這是自二十一世紀初以來在實驗中陸續出現的一系列短壽命粒子集合。問題在於,若這些粒子僅由一個夸克與一個反夸克組成,正如傳統夸克模型所述,那麼許多觀測結果並不符合預期。其中一個特別令人困惑的例子是 Y(2175),質量約為 2.16 GeV 的疑似奇異偶素粒子。該粒子最早於 2006 年由美國能源部 SLAC 國家加速器實驗室的 BaBar 實驗所報告。

北京譜儀和日本 Belle 實驗的後續研究支持其存在,但所有觀測皆來自電子與正電子碰撞。

Y(2175)的探索與新發現

這引發一個重大疑問:Y(2175) 是否也會在截然不同的產生方式中現身?Jefferson Lab 的 GlueX 合作研究團隊著手尋找答案。然而,他們的實驗並未找到 Y(2175),反而在鄰近質量區域發現兩個結構的證據:質量約 2.24 GeV 的 Y(2240),以及質量約 1.82 GeV 的 X(1830)。「我們原本以光子束搜尋已確認的 XYZ 候選粒子,結果卻發現另外兩個結構。

這是全新的資訊。」Jefferson Lab 職員科學家 Malte Albrecht 表示。

GlueX 實驗專門研究奇異介子,特別是膠子可能直接參與其中的粒子。研究團隊運用 Jefferson Lab 的連續電子束加速器設施 (CEBAF) 製備獨特的探測工具。CEBAF 將電子射向超薄鑽石晶圓,使其轉化為具有平行自旋的高能光子束。這些光子隨後撞擊液態氫靶中的質子,產生大量次級粒子。一組大型譜儀記錄碰撞產物,讓研究人員得以重建短暫存在的粒子狀態。

實驗規模極為龐大。每秒有數百萬個光子撞擊目標,所產生數據足以在短短數分鐘內填滿一部普通手提電腦的硬碟。「沒有其他實驗能在現有能量條件下,擁有如此強度的光子束設施。這確實是獨一無二的配置。」Albrecht 表示。研究團隊在海量數據中專門搜尋 Y(2175) 的證據,結果該粒子並未在預期位置現身,反而浮現兩個不同質量的結構。

「這項結果其中一個有趣之處在於,我們並未在搜尋位置觀察到 Y(2175)。我們透過完全不同的物理過程發現了新現象,這確實令人著迷。但既然已經觀察到這些結構,並不意味著研究就此結束。」Albrecht 補充。Y(2240) 的證據尤其充分,達到五個標準差 (5σ) 的顯著性,約 99.9994% 的置信度;X(1830) 則達到 3σ 顯著性,約 99.7% 置信度。

兩者差異至關重要:Y(2240) 訊號符合粒子物理觀測的五個標準差標準,而較弱的 X(1830) 訊號仍需更多證據以確立其性質。

新結構的可能性與未來研究

發現這些結構僅是起點。科學家至今仍無法確定 Y(2240) 與 X(1830) 的真正身分。它們可能涉及夸克與膠子的異常排列,或是已知複合粒子的特定組合。「激發態膠子場可能存在於這些介子之中,其中的結構超越單純的夸克與反夸克對。研究方向之一,正是嘗試理解我們觀察到的結構是否存在膠子貢獻。」物理學教授暨 GlueX 代表 Justin Stevens 表示。

新測量結果為理論學家提供嶄新目標,可檢驗關於奇異物質的各種競爭性解釋。研究亦為 Y(2175) 透過光子碰撞的產生頻率設定上限,有助研究人員設計未來實驗,深入理解夸克與膠子在物質內部的行為。「下一步是釐清自然界可能實現哪些奇異夸克構型。理論學家或將得出進一步結論,並識別有助確定這些特定狀態真實性質的測量方法。」Nerling 補充。隨著大量 GlueX 數據尚待分析,研究團隊預期粒子動物園將變得更加擁擠,並有望變得更容易理解。

該研究有助於更廣泛地檢驗粒子物理標準模型,並探討既有框架能否完整解釋日益精確實驗中所發現的粒子。

新粒子結構對粒子物理的影響

這次研究的發現不僅挑戰了傳統的夸克模型，還顯示出粒子物理領域的潛在新方向。Y(2240)和X(1830)的出現，可能涉及更複雜的粒子結構，這對於理解強核力及其在自然界中的角色至關重要。隨著GlueX實驗提供的數據量持續增加，科學家們有望更深入探索這些新結構，並檢驗現有理論的有效性，進一步推動粒子物理的發展。