物理学家们花费数十年整理越来越多的亚原子粒子，但一些发现仍然难以简单分类。美国能源部的托马斯·杰斐逊国家加速器实验室的研究人员现在已识别出两种意外结构的证据，这可能有助于澄清这一日益复杂的粒子格局的一部分。这些信号可能揭示出被称为XYZ态的一组令人困惑的物体。这些状态并未很好地符合夸克构建的粒子的传统图像，夸克是物质的基本构建块。杰斐逊实验室的研究人员首次探测到两个这样的信号，这些信号是在高能光子的束与质子靶相互作用时产生的。研究结果来自杰斐逊实验室实验大厅D的胶子激发（GlueX）合作组织，最近发表在《物理评论快报》上。结果可能帮助科学家更好地理解自然的基本力如何影响物质的形成。“我们原本是寻找已确认的XYZ候选粒子，通过光子束进行搜索，但结果却发现了另外两个结构。”杰斐逊实验室的研究员马尔特·阿尔布雷希特（Malte Albrecht）说。“这是新的信息。” 粒子动物园的形成 从1950年代开始，高能碰撞实验开始揭示出大量的亚原子粒子，统称为强子。强子是由两个或更多夸克组成的复合粒子，由强核力结合在一起。熟知的例子包括质子和中子，每个都包含三个夸克（尽管它们在几十年前就已被识别）。新发现的强子中有一种短命粒子称为介子。介子通常由一个夸克和它的反物质配对伙伴，反夸克组成。在1964年，物理学家们引入了夸克模型来组织这些束缚态。最早的版本包含三种夸克“味道”：上夸克、下夸克和奇夸克。例如，上夸克和下夸克是形成质子和中子的成分。上夸克、下夸克和奇夸克也是三种最轻的夸克。1974年，随着重夸克的发现，粒子物理学再次发生了剧变。夸克模型最终扩展到包括六种味道。重夸克的发现帮助建立了之后被称为标准模型的框架，这是描述基本粒子和基本力的广泛理论，同时也扩展了已知的强子结构的光谱。随着粒子加速器变得更为强大，探测器的灵敏度也不断提高，研究人员得以接触到更加微妙的物理过程。在21世纪初，实验开始揭示出许多具有奇异量子属性的强子，这些属性在原始的夸克模型中并不适用。发现的积累如此之快，以至于物理学家们给这些不太理解的粒子统一贴上了XYZ状态的标签。“在这里我们进入了一个新时代，类似于七十年前，”来自德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心和法兰克福大学的杰斐逊实验室合作者弗兰克·内尔林（Frank Nerling）说。“首先，发现了一大堆强子。现在，我们面对的是所谓外来态的动物园。” 搜索奇夸克区 包含重夸克及其反物质伙伴的反重夸克的强子占据了一个称为重子谱的质量相似区域，称为重子。以同样的方式，含有奇夸克和反奇夸克的粒子构成了奇子区。许多XYZ态在这两个区域中被探测到。2006年，科技部SLAC国家加速器实验室BaBar实验的研究人员报告了一个质量约为2.16吉电子伏特（2.16 GeV）的可能奇子状态。由于被认为是XYZ候选粒子，该粒子被指定为Y(2175)。BaBar通过将带负电的电子（e-）与它们的带正电的反物质伙伴，正电子（e+），通过称为e+e-湮灭的过程相撞来产生Y(2175)。Y(2175)显示出可能难以被解释为传统的夸克-反夸克对的量子行为。一种可能性是，它代表涉及两个奇夸克和激发胶子的混合态，胶子是传递强力的粒子。科学家们还提出它可能是一个称为四夸克的四夸克配置，或者是其他复合粒子的分子样组合。随后的电子-正电子（e-e+）对撞实验，包括中国的北京谱仪（BES）和日本的Belle确认了Y(2175)的存在。然而，直到现在，Y(2175)并未通过除e-e+湮灭以外的过程被观察到。“挑战在于你有许多在不同实验中进行的全球测量，必须就它们所观察到的内容达成共识，”在杰斐逊进行研究的GSI物理学家克劳斯·戈岑（Klaus Goetzen）说。