Поиск загадочного состояния Y(2175) преподнёс физикам сюрприз. Коллаборация GlueX направила мощный пучок фотонов на протоны, рассчитывая впервые обнаружить Y(2175) при фотопроизводстве, но характерного сигнала не увидела. Вместо Y(2175) в данных проявились две структуры с массами около 2,24 и 1,82 ГэВ. Более тяжёлый сигнал получил обозначение Y(2240), второй назвали X(1830). Результаты эксперимента опубликованы в Physical Review Letters и дают физикам новый способ проверить, как сильное взаимодействие формирует необычные комбинации кварков и глюонов.
Y(2175), которую в современной номенклатуре также называют φ(2170), впервые обнаружил эксперимент BaBar в 2006 году. Позднее сигнал зарегистрировали BES, Belle и BESIII при аннигиляции электронов и позитронов. Природа φ(2170) до сих пор вызывает споры. Среди возможных объяснений фигурируют возбуждённое состояние странного кварка и антикварка, более сложные многокварковые конфигурации и состояния с заметным вкладом глюонов. Согласно актуальным таблицам Particle Data Group, средняя масса φ(2170) составляет около 2164 МэВ.
GlueX решил посмотреть на φ(2170) с совершенно другой стороны. Вместо столкновения электрона с позитроном исследователи использовали фотоны высокой энергии и протоны. Эксперимент проходил в Национальной ускорительной лаборатории имени Томаса Джефферсона в США. Ускоритель CEBAF направлял электроны на сверхтонкую алмазную пластину, после чего формировался пучок высокоэнергетических фотонов с параллельными спинами. Миллионы фотонов каждую секунду попадали в мишень из жидкого водорода, а спектрометр GlueX регистрировал продукты столкновений. Для анализа использовали 334 пб⁻¹ данных фотопроизводства, собранных при энергии фотонов от 8 до 11,6 ГэВ. Подробности эксперимента коллаборация также опубликовала в препринте.
Физики изучали реакцию γp → φπ⁺π⁻p и искали в распределении масс признаки Y(2175). Сигнал с параметрами φ(2170), приведёнными Particle Data Group, эксперимент не выявил. GlueX смог установить верхнюю границу вероятности рождения φ(2170) при взаимодействии фотона с протоном. Ограничение помогает проверять модели внутреннего устройства загадочного состояния и показывает, насколько сильно механизм фотопроизводства отличается от процессов, изучавшихся на электрон-позитронных коллайдерах.
Главной находкой стала структура около 2,24 ГэВ. Статистическая значимость Y(2240) достигла примерно пяти сигма, стандартного для физики элементарных частиц уровня уверенного наблюдения. Однако называть Y(2240) совершенно новой частицей было бы некорректно. Параметры сигнала совместимы с более ранним наблюдением структуры около 2,24 ГэВ в электрон-позитронных столкновениях. В 2019 году коллаборация BESIII при измерении процесса e⁺e⁻ → K⁺K⁻ обнаружила резонанс около 2,2 ГэВ с массой 2239,2 МэВ и шириной около 140 МэВ. GlueX впервые увидел совместимую структуру при совершенно другом механизме рождения.
Связь структуры около 2,24 ГэВ с φ(2170) остаётся предметом исследований. Массы расположены достаточно близко, однако параметры нового сигнала GlueX отличаются от усреднённых характеристик φ(2170) в Particle Data Group. Существуют теоретические работы, пытающиеся объяснить различия между наблюдениями интерференцией процессов или особенностями разных каналов распада. Более поздний совместный анализ Y(2240) также рассматривает структуру около 2,24 ГэВ отдельно от стандартных параметров φ(2170).
Вторая структура X(1830) выглядит ещё загадочнее. Сигнал находится около 1,82 ГэВ и достигает статистической значимости примерно три сигма, поэтому физики пока говорят о свидетельстве существования структуры, а не об уверенном открытии новой частицы. Трёх сигма недостаточно для принятого в физике элементарных частиц порога открытия, поэтому X(1830) потребуется подтвердить на дополнительных данных.
Природа обоих сигналов пока неизвестна. Физики рассматривают необычные конфигурации кварков, участие возбуждённых глюонных полей и комбинации уже известных составных частиц. GlueX специально создавали для изучения экзотических мезонов и проверки квантовой хромодинамики, теории сильного взаимодействия. В обычной картине мезон состоит из кварка и антикварка, однако квантовая хромодинамика допускает гораздо более сложные структуры. Представители Jefferson Lab объясняют, что среди целей GlueX находится поиск гибридных мезонов, в структуре которых возбуждённые глюонные поля играют непосредственную роль.
Находка не означает открытия двух подтверждённых новых элементарных частиц. Y(2240) представляет собой хорошо выраженную структуру, совместимую с более ранним наблюдением при другом механизме рождения, а X(1830) пока остаётся менее значимым сигналом, требующим дополнительной статистики. Главный результат GlueX заключается в новой картине странного кваркового сектора: фотонный пучок не обнаружил ожидаемую φ(2170), зато выявил сильный сигнал около 2,24 ГэВ и более слабую структуру около 1,82 ГэВ. В распоряжении коллаборации остаётся большой объём необработанных данных, поэтому дальнейший анализ может помочь определить внутреннее устройство найденных состояний и расширить представления о формах материи, которые способно создавать сильное взаимодействие.