Экзотическая частица может объяснить происхождение массы материи

Физики, возможно, обнаружили новое экзотическое состояние частицы, которое раскрывает, как меняется масса внутри атомных ядер. Открытие намекает на то, что «пустой» вакуум пространства играет мощную роль в формировании веса материи. Credit: Shutterstock

Все вокруг нас имеет массу, но её происхождение до сих пор остаётся одним из самых больших нерешённых вопросов физики. Согласно современным теориям, масса возникает не просто из самой материи. Вместо этого она связана с природой вакуума, который является не пустым пространством, а динамической средой со сложной структурой. Изучение особых систем частиц может помочь учёным лучше понять этот скрытый механизм.

Один из многообещающих подходов включает мезоны — частицы, состоящие из кварка и антикварка, связанные с атомным ядром. Такая комбинация известна как мезонное ядро. Изучая эти системы, исследователи могут зондировать структуру вакуума и механизмы, придающие частицам массу. Теперь новые экспериментальные результаты приблизили учёных к этой цели, предоставив доказательства существования совершенно нового типа мезонного ядра.

Доказательства редкого и экзотического состояния частицы

Международная группа исследователей сообщила о признаках ранее не наблюдавшегося, но теоретически предсказанного состояния, называемого η′-мезонным ядром. Их выводы, которые появятся в журнале Physical Review Letters, указывают на возможное существование этой необычной связанной системы.

При определённых условиях короткоживущие частицы, известные как мезоны, существующие менее десятимиллионной доли секунды, могут временно захватываться внутри атомного ядра. Когда это происходит, они образуют редкое и экзотическое состояние. Изучение этих мезонных ядер помогает учёным понять, как ведёт себя сильное ядерное взаимодействие и как меняется вакуум в чрезвычайно плотных средах.

«Одна частица, представляющая особый интерес, — это η′-мезон, — говорит старший автор Кента Итахаси. — Он необычно тяжёл по сравнению с родственными частицами, и физики ожидают, что его масса меняется, когда он находится внутри ядерной материи. Наблюдение этого явления дало бы ценную информацию о том, как генерируются массы частиц во Вселенной».

Эксперимент высокой точности внутри ускорителя частиц

В поисках η′-мезонных ядер команда провела высокоточный эксперимент в Центре исследования тяжёлых ионов имени Гельмгольца (GSI) в Германии.

Исследователи направили пучок протонов высокой энергии на углеродную мишень. Этот процесс возбудил ядра углерода и произвёл η′-мезоны, которые в некоторых случаях связывались с ядром. Чтобы изучить эти взаимодействия, команда измерила энергию возбуждения ядер углерода, анализируя дейтроны — простейшие атомные ядра, состоящие из одного протона и одного нейтрона, — испускаемые во время реакции. Эти измерения проводились с помощью спектрометра высокого разрешения, называемого сепаратором фрагментов (FRS).

Эксперимент также опирался на специализированный детектор WASA, первоначально разработанный в Уппсале, Швеция. Это устройство позволило учёным обнаруживать протоны высокой энергии, покидающие мишень, и идентифицировать сигналы, указывающие на то, что η′-мезон был создан и захвачен внутри ядра. Эти сигналы, известные как сигнатуры распада, были критически важны для идентификации экзотического состояния.

«С нашей новой экспериментальной установкой, объединяющей FRS и WASA, мы можем идентифицировать структуры в данных, которые соответствуют теоретическим сигнатурам η′-мезонных ядер, — объясняет ведущий автор Рёхэй Секия. — Наш анализ предполагает, что эти связанные состояния действительно были сформированы».

Что результаты говорят о массе

Спектр возбуждения ядра углерода, измеренный в эксперименте, показывает закономерности, согласующиеся с образованием η′-мезонных ядер. Результаты также предполагают, что масса η′-мезона может уменьшаться, когда он находится внутри ядерной материи. Это открытие подтверждает теоретические предсказания и даёт редкое экспериментальное понимание того, как свойства частиц могут меняться в экстремальных условиях.

«Наши измерения предоставляют важные новые ключи к разгадке того, как мезоны ведут себя в ядерной материи, — говорит Итахаси. — Это приближает нас к ответам на глубокие, фундаментальные вопросы о том, как материя приобретает массу, а также о том, как структура вакуума меняется внутри атомных ядер».

Что дальше

Команда планирует провести дальнейшие эксперименты для повышения точности измерений и поиска дополнительных сигналов распада, которые могли бы подтвердить существование η′-мезонных ядер. Каждый новый результат поможет уточнить наше понимание фундаментальных законов, управляющих материей и Вселенной.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Осаки.