Учёные измерили вероятность образования мезона a₂ для поиска гибридных частиц

На этой диаграмме Фейнмана показано рассеяние фотона (синяя волнистая линия) на протоне (чёрная прямая линия). В области взаимодействия (жёлтая линия) образуется рассеянный протон и мезон. Этот мезон (красная линия) распадается на два других мезона (пунктирные линии), которые затем превращаются в четыре фотона (прямые синие линии). Автор: Jefferson Lab illustration

Неприметная частица играет ключевую роль в поиске субатомных аномалий. Как и протоны с нейтронами, мезоны состоят из кварков, связанных сильным ядерным взаимодействием. Однако эти короткоживущие частицы обладают особыми свойствами, которые могут раскрыть новые данные о строении атомного ядра и принципах работы Вселенной.

Подобные открытия в будущем могут привести к прорывам в различных областях — от ядерной энергетики до медицины и материаловедения.

Мезон a₂ представляет собой относительно лёгкую систему кварков. Его получают в экспериментах на ускорителе Томаса Джефферсона (Thomas Jefferson National Accelerator Facility) при Министерстве энергетики США.

Впервые учёные из Jefferson Lab измерили вероятность образования a₂ при облучении протонов поляризованным пучком фотонов. Результаты исследования, называемого «сечение реакции», опубликованы в журнале Physical Review C.

Это достижение открывает путь к поиску самого лёгкого спинового экзотического мезона pi₁ и созданию полной карты масс гибридных систем.

«Мы взяли хорошо изученную частицу и измерили новый параметр, используя сложную методику, которая понадобится для исследования экзотических состояний, таких как гибриды», — пояснил Мальте Альбрехт, сотрудник Jefferson Lab и участник эксперимента Gluonic Excitations (GlueX).

Эксперимент GlueX

Глюоны — фундаментальные частицы, переносящие сильное ядерное взаимодействие («клей», связывающий кварки в протоны, нейтроны, мезоны и другие адроны).

Теория квантовой хромодинамики (КХД) описывает это взаимодействие. Именно её изучение является основной целью международной коллаборации GlueX, работающей на базе Jefferson Lab.

«GlueX особенно интересует понимание степеней свободы кварков и глюонов, — отметил Шон Доббс, профессор Университета Флориды. — Возбуждение глюонов в гибридных мезонах напрямую влияет на их свойства».

Для изучения КХД в GlueX используют фотоны, генерируемые электронами из ускорителя CEBAF. Специальный алмазный преобразователь создаёт поляризованный пучок фотонов, направляемый на атомную мишень. Детектор фиксирует результаты столкновений, позволяя учёным заглянуть в «чёрный ящик» образования и распада частиц.

Мальте Альбрехт объясняет принцип работы калориметра детектора GlueX. Автор: Jefferson Lab photo/Aileen Devlin

Поиск гибридного мезона pi₁

Мезон pi₁ является «кузеном» a₂, но обладает более экзотическими свойствами. Обе частицы существуют в близких энергетических диапазонах и содержат кварки типов «верхний» и «нижний». Однако их спиновые состояния различаются, а в pi₁ глюоны ведут себя иначе.

«Представьте кварки как бильярдные шары, а глюоны — как резинки, их связывающие, — привёл аналогию Доббс. — В гибридах типа pi₁ резинка возбуждена: её щипают, заставляя вибрировать, что добавляет энергии».

Обнаружение pi₁(1600) остаётся сложной задачей, тогда как a₂(1320) хорошо изучен. Поэтому физики называют a₂ «стандартной свечой» — по аналогии с астрономическим термином для объектов с известной яркостью.

Для идентификации a₂ среди множества других частиц команда GlueX применила метод анализа парциальных волн. Теперь, подтвердив работоспособность методики, учёные смогут использовать её как эталон для поиска pi₁ и других гибридных состояний.

Следующий шаг — продолжение охоты за редкими мезонами, чтобы не только подтвердить их существование, но и обнаружить ранее неизвестные системы.

Дополнительная информация: F. Afzal et al, First measurement of a20(1320) polarized photoproduction cross section, Physical Review C (2025). DOI: 10.1103/jfzb-rfl4

Источник: Thomas Jefferson National Accelerator Facility

Интересный факт: Гибридные мезоны, такие как pi₁, могут содержать «возбуждённые» глюонные поля, что делает их уникальными лабораториями для проверки предсказаний квантовой хромодинамики. Их изучение поможет лучше понять природу сильного взаимодействия, которое удерживает кварки внутри протонов и нейтронов.