تاکنون هادرون‌ها (باریون‌ها با ساختاری شامل سه کوارک و مزون‌ها با ساختاری شامل دو کوارک) ساختارهای کوارکی شناخته شده موجود در طبیعت هستند. با این حال دو آزمایش انجام شده وجود ذره‌ای جدید با ساختاری شامل چهار کوارک را پیش‌بینی می‌کند.

به نظر می‌رسد فیزیکدانان ذرات بنیادی دانش خوبی نسبت به ساختارهای ذرات موجود در جهان داشته باشند، اما کاستی‌های قابل توجهی نیز وجود دارد. کوارک‌ها مثال خوبی برای این مورد هستند. می‌دانیم که همه مواد هسته‌ای از کوارک‌ها ساخته شده‌اند و دانش خوبی از چگونگی برهمکنش دو کوارک در فاصله نزدیکی نسبت به هم داریم. از سوی دیگر نظریه کوارکی (نظریه مورد قبول فیزیکدانان ذرات) نمی‌تواند به ما بگوید که آیا ترکیبات کوارکی به ذره‌ای مقید منجر می‌شود و یا هسته‌ای پایدار. همه چیزی که ما می‌توانیم درباره آن بحث کنیم آزمایش است و آزمایش نشان داده است که ذراتی با ساختاری شامل چهار کوارک نمی‌تواند وجود داشته باشد. اما با امکان کشف ذره جدیدی با ساختاری شامل حداقل چهار کوارک این مسئله ممکن است تغییر کند. دو گروه مختلف در مجله Physical Review Letter مدرکی دال بر وجود این نوع ماده عجیب تحت عنوان Z_c(3900) ارائه می‌کنند.

گواه وجود ذره Z_c(3900) توسط دو گروه مستقل نشان داده می‌شود: BESIII در برخورد دهنده باریکه‌های الکترون-پوزیترون [1] Beijing (چین) و Belle در مؤسسه تحقیقاتی شتابدهنده انرژی بالا در Tsukuba [2] (ژاپن). هر دو آزمایشگاه باریکه‌های الکترون و پوزیترون را به سرعتی در حدود سرعت نور می‌رسانند، باریکه‌های الکترون و پوزیترون به یکدیگر کوبیده می‌شوند و بقایای این برخوردها به دقت آنالیز می‌شوند. روی هم رفته این دو گروه ۴۶۶ برخورد را بررسی کرده‌اند به طوری که به نظر می‌رسد یک ذره‌ی Z_c(3900) در بقایایشان وجود داشته باشد.

آشکارسازهای گذشته فیزیک ذرات تصویر جامع و کاملی از ساختار درون اتم به ما نشان داده‌اند. می‌دانیم اتم شامل الکترون‌های موجود در اربیتال‌های مشخص و یک هسته در مرکز اتم است. هسته از پروتون و نوترون ساخته شده است، همچنین پروتون‌ها و نوترون‌ها از کوارک‌ها تشکیل شده‌اند. در کل ۶ نوع کوارک داریم که می‌توانند در ترکیب با یکدیگر شمار زیادی ذرات تحت عنوان هادرون‌ها را بسازند؛ پروتون و نوترون هر دو هادرون‌ (باریون) هستند. نظریه‌ای که برهمکنش کوارک‌ها را توصیف می‌کند کرومودینامیک کوانتومی (QCD) نامیده می‌شود. این نظریه بخشی از نظریه جامع فیزیک ذرات بنیادی تحت عنوان مدل استاندارد ذرات بنیادی است. در انرژی‌های بالا فهم نظریه QCD نسبتا ساده است و پیش‌بینی‌های آن بارها و بارها تایید شده است. اما در انرژی‌های پایین‌تر، QCD پیش‌بینی‌های قابل قبولی ارائه نمی‌کند. بنابراین ما با صراحت نمی‌توانیم بگوییم که کدام یک از آرایش‌های کوارکی می‌توانند شکل بگیرند و کدام یک نمی‌توانند. تضادی از این دست موجب می‌شود تا به دنبال تمامی ترکیبات هادرونی ممکن در آزمایش‌هایی مثل BESIII و Belle باشیم.

۷۰ سال تلاش آزمایشگاهی (در زمینه شناسایی ساختارهای کوارکی) نشان می‌دهد که کوارک‌ها تمایل به تشکیل سه نوع آرایش ساختاری دارند؛ ترکیب زوج کوارک-پادکوارک به نام مزون (شکل ۱-a)، ترکیب سه‌تایی کوارک‌ها به نام باریون (شکل ۲-a)، و گروه‌های شامل ترکیبات سه‌تایی کوارک‌ها که در واقع هسته‌های اتمی می‌باشند. این در حالی است که اخیرا بنا به مدارکی انتظار وجود ترکیبات کوارکی جالب‌تر و در عین حال عجیب‌تری می‌رود [3]. ذره Y(4260) یکی از این ذرات (دارای ساختار کوارکی) عجیب است که در سال ۲۰۰۵ کشف شد [4].  درک وجود چنین ساختار عجیبی نیازمند واکاوی ماهیت نیرویی است که عامل برهمکنش بین کوارک‌ها است. همانطور که دو بار الکتریکی از طریق به اشتراک گذاشتن فوتون (کوانتای میدان الکترومغناطیسی A^µ) به یکدیگر نیروی الکترومغناطیسی وارد می‌کنند، کوارک‌ها نیز از طریق به اشتراک گذاشتن ذره‌ای به نام گلوئون به یکدیگر جذب می‌شوند. برخلاف فوتون‌ها، گلوئون‌ها می‌توانند به شدت با یکدیگر برهم‌کنش کنند^۱؛ به همین خاطر ترکیبات عجیبی نتیجه خواهند شد که مشابه آن در بر همکنش‌های میدان الکترومغناطیسی مشاهده نمی‌شوند. Y(4260) یکی از ترکیبات غیر معمول کوارکی است؛ ساخته شده از یک کوارک افسون (charm)، یک کوارک پاد افسون (anticharm) و یک گلوئون (ظاهرا اضافی به نظر می‌رسد). گفتنی است که این گلوئون از گلوئون‌های به اشتراک گذاشته شده بین کوارک‌ها نیست، بلکه جزئی ثابت و لازم مثل کوارک‌ها است. با این حال دانشمندان یک گام فراتر رفته و این گلوئون را به مثابه یک ذره فرضی تحت عنوان «گلوبال» گرفته‌اند به این ترتیب که همه گلوئون‌ها، نه کوارک‌ها، مثل اتمی از نور خالص اند (منظور از نور همان فوتون است).

شکل a مزون (ساختار شامل کوارک-پادکوارک)، شکل b باریون (ساختار سه‌گانه کوارکی)، شکل c یک نوع مدل کوارکی ممکن برای .Z_c

BESIII و ‌Belle در جستجوی فهم رمز‌آلود طبیعت Y(4260) بودند که معمای دیگری برای آن‌ها بوجود آمد؛ ذره [1,2] Z_c(3900). هر دو گروه Y(4260) را با کوباندن باریکه‌های الکترون و پوزیترون به یکدیگر تولید می‌کردند، و از سوی دیگر بقایای حاصله از واپاشی Y را مورد مطالعه قرار می‌دادند (طول عمر Y تنها ^۲۳-۱۰ ثانیه است). اکثر اوقات این بقایا، شامل یک پایون مثبت (⁺π)، یک پایون منفی (^-π) و یک ذره است. پایون‌ها، مزون‌های ساخته شده از کوارک‌ها و پادکوارک‌های بالا و پایین (up quark, down quark) هستند، در حالی که مزون خنثی ساخته شده از زوج کوارکی افسون-پاد افسون است. اما رویدادهای شامل پایون‌ها و جای تعجب دارد؛ این که چطور انرژی بین سه ذره نام برده توزیع می‌شود. جواب این جا است که واپاشی از طریق یک ذره واسطه صورت می‌گیرد، Z_c،که چهار برابر سنگین‌تر از پروتون است (۳۹۰۰ مگا الکترون ولت) و به یک پایون باردار و یک واپاشی می‌کند. جرم زیاد Z_c  و واپاشی آن به ،به این معنی است که به احتمال فراوان Z_c  دارای کوارک‌های افسون و پاد افسون است. بار خالص غیر صفر محصولات واپاشی (پایون+) اشاره می‌کند که Z_c  باید یک ذره باردار باشد (یا مثبت یا منفی؛ این به بار پایون بستگی دارد). بنابراین Z_c  باید کوارک‌های دیگری نیز علاوه بر کوارک‌های افسون و پاد افسون داشته باشد. به این ترتیب بار صحیح به Z_c  تخصیص داده خواهد شد [5]. چنین ترکیبی در شکل (۱-c) نشان داده شده است^۲؛ مشخص است که وجود ترکیبات دیگری نیز ممکن است. حالت‌های مقیدی از این قبیل تاکنون مشاهده نشده‌ است، بنابراین بسیاری از فیزیکدانان جستجوی ذرات شامل چنین ساختارهایی را رها کرده‌اند.

۱- نظریه میدان‌های کوانتومی فرآیندهایی همچون پراکندگی‌های  light-lightرا پیش‌بینی می‌کند. که در ساده‌ترین حالت چهار فوتون در یک فرآیند پراکندگی حضور دارند.

۲- شاید سوال پیش آید چرا جز کوارک‌های افسون و پاد افسون بایستی دو کوارک دیگر در ساختمان ذره Z_c حضور داشته باشد. جواب در دل بار هر یک از کوارک‌ها است. محصول فرآیند واپاشی Z_c، پایون است. بار پایون یا ۱+ یا ۱- می‌باشد. یک کوارک تنها چنین باری ندارد. بار کوارک‌ها ۲/۳+ و ۱/۳- است و بار پادکوارک‌ها قرینه این دو عدد است. پس ترکیب یک کوارک و یک پاد کوارک بار یک پایون را تولید می‌کند.

منبع:

http://physics.aps.org/articles/v6/69

مرجع‌ها:

1.       M. Ablikim et al. (BESIII Collaboration), “Observation of a Charged Charmoniumlike Structure in e+e−→π+π−J/ψ at s√=4.26  GeV,” Phys. Rev. Lett. 110, 252001 (2013).

2.       Z. Q. Liu et al. (Belle Collaboration), “Study of e+e−→π+π−J/ψ and Observation of a Charged Charmoniumlike State at Belle,” Phys. Rev. Lett. 110, 252002 (2013).

3.       T. Barnes, S. Godfrey, and E. S. Swanson,“Higher Charmonia,” Phys. Rev. D 72, 054026 (2005); E. S. Swanson, “The New Heavy Mesons: A Status Report,” Phys. Rep. 429, 243 (2006).

4.       B. Aubert et al., “Observation of a Broad Structure in the π+π− J/ψ Mass Spectrum around 4.26 GeV/c2,” Phys. Rev. Lett. 95, 142001 (2005).

5.       There are other hints of charged two-quark plus two-antiquark combinations. See A. Bondar et al. (Belle Collaboration), “Observation of Two Charged Bottomoniumlike Resonances in Y(5S) Decays,” Phys. Rev. Lett. 108, 122001 (2012); S.-K. Choi et al. (Belle Collaboration), “Observation of a Resonancelike Structure in the π+−ψ′ Mass Distribution in Exclusive B→Kπ+−ψ′ Decays,” 100, 142001 (2008).