Один из величайших нерешенных вопросов физики — откуда берется масса у окружающих нас объектов. Согласно современным теориям, масса не является неотъемлемым свойством самой материи, а связана с природой вакуума — динамической среды со сложной структурой, а не просто пустого пространства. Изучение особых систем частиц, таких как мезоны, состоящие из кварка и антикварка, помогает ученым понять этот скрытый механизм и то, как именно генерируется масса.
Особый интерес представляют так называемые мезонидронные ядра — системы, где мезон оказывается связанным с атомным ядром. Исследуя их, физики могут зондировать структуру вакуума и процессы, наделяющие частицы массой. Международная группа ученых сообщила о признаках существования нового, предсказанного теоретически, но ранее не наблюдавшегося типа мезонидронного ядра — η′-мезонидронного ядра (эта-прим). Результаты исследования готовятся к публикации в престижном журнале Physical Review Letters.
В отличие от пионов и каонов, которые являются псевдоскалярными мезонами с относительно простой кварковой структурой, η′-мезон представляет собой смесь кварк-антикварковых состояний с существенной примесью глюонных возбуждений. Его аномально большая масса (около 958 МэВ) по сравнению с предсказаниями киральной теории возмущений (которая оценивает массу η′ примерно в 200 МэВ) делает его уникальной лабораторией для изучения механизма генерации массы через топологические особенности квантовой хромодинамики (КХД). Это явление, известное как U(1)-аномалия, напрямую связано с тем, как масса появляется у адронов, и дает ключ к пониманию механизма, ответственного за 95% массы видимой материи. Для обычной материи именно КХД-вакуум и топологические эффекты (инстантоны) являются основным экспериментально подтвержденным источником масс адронов.
В ходе эксперимента, проведенного в немецком исследовательском центре GSI Helmholtzzentrum, ученые направили пучок протонов высокой энергии на углеродную мишень. В результате столкновений возбуждались ядра углерода и рождались короткоживущие η′-мезоны, часть из которых захватывалась ядром, образуя экзотическое связанное состояние. Для регистрации этих редких событий использовался высокоточный спектрометр и специализированный детектор WASA (Wide Angle Shower Apparatus), установленный в исследовательском центре COSY в Юлихе, Германия. Этот детектор использует комбинацию технологий для выделения редких событий рождения η′-мезона. Ключевые методы включают точное измерение четырехимпульса всех заряженных частиц в центральном трекере (мини-дрейфовой камере) для реконструкции кинематики реакции, идентификацию частиц по времени пролета между стартовыми и стоповыми детекторами, что позволяет отличать пионы и каоны, а также регистрацию и энергетическое измерение фотонов от распада η′→π⁺π⁻γ в электромагнитном калориметре из кристаллов CsI. Применение кинематического фита с наложением условия сохранения энергии-импульса позволяет отсеять фоновые события в 10⁸ раз более частые, чем сигнал от η′. Такая многоуровневая система отбора позволяет детектировать всего несколько событий η′ в секунду при полном сечении реакции около 1 нанобарна.
Анализ спектра возбуждения углеродного ядра показал паттерны, согласующиеся с образованием η′-мезонидронного ядра. Это говорит о том, что масса η′-мезона может уменьшаться внутри ядерной материи. «Наши измерения дают важные новые подсказки о том, как мезоны ведут себя в ядерной среде», — комментирует руководитель исследования Кента Итахаши. Результаты подтверждают теоретические предсказания и дают редкую экспериментальную возможность увидеть, как свойства частиц меняются в экстремальных условиях.
Находка приближает ученых к ответу на фундаментальные вопросы о происхождении массы и структуре вакуума. Команда планирует провести дополнительные эксперименты, чтобы повысить точность измерений и найти другие сигналы распада, способные окончательно подтвердить существование η′-мезонидронных ядер. Каждый новый результат помогает уточнить наши представления о фундаментальных законах, управляющих материей и Вселенной.
Источник: This exotic particle could finally explain why matter has mass