stringtranslate.com

Очарование кварка

Очарованный кварк , очарованный кварк или c-кварк — это элементарная частица, обнаруженная в составных субатомных частицах, называемых адронами, таких как J/psi-мезон и очарованные барионы, созданные при столкновениях ускорителей частиц. Несколько бозонов , включая W- и Z-бозоны , а также бозон Хиггса , могут распадаться на очарованные кварки. Все очарованные кварки несут очарование , квантовое число . Эта частица второго поколения является третьим по массе кварком с массой1,27 ± 0,02  ГэВ/ c2 , измеренное в 2022 году, и заряд + ⁠2/3⁠  е .

Существование очарованного кварка было впервые предсказано Джеймсом Бьёркеном и Шелдоном Глэшоу в 1964 году, [1] [2] [3] а в 1970 году Глэшоу, Джон Илиопулос и Лучано Майани показали, как его существование может объяснить экспериментальные и теоретические расхождения. [4] В 1974 году его существование было подтверждено независимыми открытиями J/psi-мезона в Брукхейвенской национальной лаборатории и Стэнфордском линейном ускорительном центре . В последующие несколько лет было обнаружено несколько других очарованных частиц, включая D-мезон и очарованные странные мезоны.

В 21 веке был обнаружен барион, содержащий два очарованных кварка. Недавно получены доказательства того, что в протоне существуют собственные очарованные кварки , а также изучена связь очарованного кварка и бозона Хиггса. Последние доказательства также указывают на нарушение CP-симметрии в распаде мезона D 0  , содержащего очарованный кварк.

Нейминг

По словам Шелдона Глэшоу , очарованный кварк получил свое название из-за «симметрии, которую он привнес в субъядерный мир». [5] [6] Глэшоу также оправдывал название как «магическое устройство для предотвращения зла», поскольку добавление очарованного кварка запретило бы нежелательные и невидимые распады в трехкварковой теории того времени. [5] Очарованный кварк также называют «очарованным кварком» как в академическом, так и в неакадемическом контексте. [7] [8] [9] Символ очарованного кварка — «c». [10]

История

Фон

В 1961 году Мюррей Гелл-Манн представил Восьмеричный Путь как образец для группировки барионов и мезонов . [11] В 1964 году Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга предположили, что все адроны состоят из элементарных составляющих, которые Гелл-Манн назвал «кварками». [12] Первоначально были предложены только верхний кварк , нижний кварк и странный кварк . [13] Эти кварки должны были производить все частицы Восьмеричного Пути. [14] Гелл-Манн и Казухико Нисидзима установили странность , квантовое число, в 1953 году для описания процессов, в которых участвуют странные частицы, такие какΣи Λ. [15]

Теоретическое предсказание

Механизм GIM объясняет редкость распадаК0на два мюона путем вовлечения в процесс очарованного кварка (c).

В 1964 году Джеймс Бьоркен и Шелдон Глэшоу выдвинули теорию «очарования» как нового квантового числа. [16] В то время было известно четыре лептона — электрон , мюон и каждое из их нейтрино — но Гелл-Манн изначально предложил только три кварка. [6] Таким образом, Бьоркен и Глэшоу надеялись установить параллели между лептонами и кварками с помощью своей теории. [17] По словам Глэшоу, эта гипотеза возникла из «эстетических аргументов». [5]

В 1970 году Глэшоу, Джон Илиопулос и Лучано Майани предложили новый кварк, который отличался от трех известных тогда кварков квантовым числом очарования . [4] [18] Они также предсказали существование «очарованных частиц» и предложили способы их экспериментального получения. [19] Они также предположили, что очарованный кварк может обеспечить механизм — механизм GIM — для содействия объединению слабых и электромагнитных взаимодействий. [20]

На конференции по экспериментальной мезонной спектроскопии (EMS) в апреле 1974 года Глэшоу выступил со своей работой под названием «Очарование: изобретение ждет открытия». Глэшоу утверждал, что, поскольку нейтральные токи , вероятно, существуют, четвертый кварк «крайне необходим» для объяснения редкости распадов определенных каонов . [21] Он также сделал несколько предсказаний относительно свойств очарованных кварков. [22] Он поспорил, что к следующей конференции EMS в 1976 году:

Есть всего три возможности:

  1. Обаяние не найдено, и я ем свою шляпу.
  2. Очарование обнаружено адронными спектроскопистами, и мы празднуем.
  3. Очарование обретают чужеземцы, [а] а вы едите свои шляпы. [22]

В июле 1974 года на 17-й Международной конференции по физике высоких энергий (ICHEP) Илиопулос сказал:

Я уже выиграл несколько бутылок вина, делая ставки на нейтральные токи, и я готов поспорить сейчас на целый случай, что если сессии по слабому взаимодействию этой конференции были посвящены открытию нейтральных токов, то вся следующая конференция будет посвящена открытию очарованных частиц. [24]

Применяя аргумент естественности к расщеплению массы каона между K0
ли К0
Сутверждает, что масса очарованного кварка была оценена Мэри К. Гайлард и Бенджамином У. Ли в 1974 году как менее5 ГэВ/ c2 . [25] [ 26]

Открытие

Глэшоу предсказал, что нижний кварк протона может поглотитьВт+и стать очарованным кварком. Затем протон должен был превратиться в очарованный барион, прежде чем он распадется на несколько частиц, включая лямбда-барион . В конце мая 1974 года Роберт Палмер и Николас П. Самиос обнаружили событие, генерирующее лямбда-барион из их пузырьковой камеры в Брукхейвенской национальной лаборатории . [27] Палмеру потребовались месяцы, чтобы убедиться, что лямбда-барион произошел от очарованной частицы. [28] Когда магнит пузырьковой камеры вышел из строя в октябре 1974 года, они не столкнулись с тем же событием. [21] Двое ученых опубликовали свои наблюдения в начале 1975 года. [29] [30] Майкл Риордан прокомментировал, что это событие было «неоднозначным» и «обнадеживающим, но не убедительным доказательством». [31]

J/пси-мезон (1974)

В 1974 году Сэмюэл CC Ting искал очарованные частицы в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL). [32] Его команда использовала детектор электронных пар. [33] К концу августа они обнаружили пик в3,1 ГэВ/ c 2 , а ширина сигнала была меньше5 МэВ . [34] В конце концов команда убедилась, что они наблюдали массивную частицу, и назвала ее «J». Тинг собирался объявить о своем открытии в октябре 1974 года, но отложил объявление из-за своей обеспокоенности отношением μ/π. [35]

В Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) группа Бертона Рихтера провела эксперименты 9–10 ноября 1974 года. Они также обнаружили высокую вероятность взаимодействия при3,1 ГэВ/ с2 . Они назвали частицу «пси». [36] 11 ноября 1974 года Рихтер встретился с Тингом в SLAC, [37] и они объявили о своем открытии. [38]

Теоретики немедленно приступили к анализу новой частицы. [39] Было показано, что она имеет время жизни в масштабе 10 −20 секунд, что предполагает особые характеристики. [36] [40] Томас Аппельквист и Дэвид Политцер предположили, что частица состоит из очарованного кварка и очарованного антикварка, спины которых выровнены параллельно. Они назвали эту конфигурацию «чармонием». [39] У чармония будет две формы: «орточармоний», где спины двух кварков параллельны, и «парачармоний», где спины выровнены противоположно. [41] Мюррей Гелл-Манн также верил в идею чармония. [42] Некоторые другие теоретики, такие как Ричард Фейнман , изначально думали, что новая частица состоит из верхнего кварка с очарованным антикварком. [39]

15 ноября 1974 года Тинг и Рихтер выпустили пресс-релиз о своем открытии. [43] 21 ноября в SLAC SPEAR обнаружил резонанс частицы J/psi в3,7 ГэВ/ c 2 , как предсказывали Мартин Брайденбах и Теренс Голдман. [43] Эта частица была названа ψ′ («пси-штрих»). [44] В конце ноября Аппельквист и Политцер опубликовали свою статью, в которой теоретизировали чармоний. Глэшоу и Альваро Де Рухула также опубликовали статью под названием «Найдено ли связанное очарование?», в которой они использовали очарованный кварк и асимптотическую свободу для объяснения свойств J/пси-мезона. [45]

В конце концов, 2 декабря 1974 года Physical Review Letters (PRL) опубликовали статьи об открытии J и psi, написанные Тингом [46] и Рихтером [47] соответственно. [45] Открытие psi-prime было опубликовано на следующей неделе. [45] Затем, 6 января 1975 года, PRL опубликовал девять теоретических статей о частице J/psi; по словам Майкла Риордана, пять из них «продвигали гипотезу очарования и ее вариации». [30] В 1976 году Тинг и Рихтер разделили Нобелевскую премию по физике за открытие «тяжелой элементарной частицы нового типа». [48]

В августе 1976 года в The New York Times Глэшоу вспомнил о своей ставке и прокомментировал: «Вино Джона [Илиопулоса] и моя шляпа были спасены в самый последний момент». [5] На следующей конференции EMS спектроскописты съели мексиканские конфетные шляпы, предоставленные организаторами. [49] [50] Фрэнк Клоуз написал статью в Nature под названием «Илиопулос выиграл свою ставку» в том же году, заявив, что 18-я ICHEP была «действительно во власти этого самого открытия». [20] Никто не выплатил свои ставки Илиопулосу. [51] [38]

Другие очарованные частицы (1975–1977)

В апреле 1975 года Э. Г. Каццоли и др., включая Палмера и Самиоса, опубликовали свои более ранние неоднозначные доказательства существования очарованного бариона. [29] К моменту проведения симпозиума по лептонам и фотонам в августе 1975 года было открыто восемь новых тяжелых частиц. [52] Однако эти частицы имеют нулевое общее очарование. [53] Начиная с четвертого квартала того же года физики начали искать частицы с чистым, или «голым», очарованием. [54]

3 мая 1976 года в SLAC Жерсон Гольдхабер и Франсуа Пьер идентифицировалиПик 1,87 ГэВ/ c 2 , что предполагает наличие нейтрального очарованного D-мезона согласно предсказанию Глэшоу. 5 мая Голдхабер и Пьер опубликовали совместный меморандум об их открытии «голого очарования». [55] К моменту 18-й Международной конференции по физике высоких энергий было обнаружено больше очарованных частиц. Риордан сказал, что «внезапные доказательства очарования появлялись на сессии за сессией» на конференции, подтверждая существование очарованного кварка. [56] [57] Очарованный странный мезон был открыт в 1977 году. [58] [59]

Более поздние и текущие исследования

В 2002 году коллаборация SELEX в Фермилабе опубликовала первое наблюдение дважды очарованного бариона
Ξ+
cc("double charmed xi+") . [60] Это трехкварковая частица, содержащая два очарованных кварка. Команда обнаружила, что дважды очарованные барионы с верхним кварком более массивны и имеют более высокую скорость производства, чем те, у которых есть нижний кварк. [61]

В 2007 году коллаборации BaBar и Belle сообщили о доказательствах смешивания двух нейтральных очарованных мезонов,
Д0
и
Д0
. [62] [63] [64] Доказательства подтвердили, что скорость смешивания мала, как и предсказывает стандартная модель . [65] Ни одно из исследований не нашло доказательств нарушения CP-симметрии между распадами двух очарованных частиц. [62] [63]

В 2022 году коллаборация NNPDF нашла доказательства существования внутренних очарованных кварков в протоне. [66] [67] В том же году физики также провели прямой поиск распадов бозона Хиггса на очарованные кварки с использованием детектора ATLAS Большого адронного коллайдера . [68] Они определили, что связь Хиггса с очарованием слабее, чем связь Хиггса с боттом. [69] 7 июля 2022 года эксперимент LHCb объявил, что нашел доказательства прямого нарушения CP при распаде мезона D 0 на пионы . [70]

Характеристики

Очарованный кварк — это кварк второго поколения . [7] [64] Он несет очарование, квантовое число . [71] Согласно обзору физики частиц 2022 года , очарованный кварк имеет массу1,27 ± 0,02  ГэВ/ c 2 , [б] заряд + ⁠2/3⁠  e и очарование +1. [10] Очарованный кварк массивнее странного кварка: соотношение между массами двух составляет около11.76+0,05
−0,10. [10]

Матрица CKM описывает слабое взаимодействие кварков. [73] По состоянию на 2022 год значения матрицы CKM, относящиеся к очарованному кварку, следующие: [74]

Супермультиплет барионов, содержащий верхний, нижний, странный и очарованный кварки с половинным спином

Очарованные кварки могут существовать либо в виде «открытых очарованных частиц», которые содержат один или несколько очарованных кварков, либо в виде состояний чармония, которые являются связанными состояниями очарованного кварка и очарованного антикварка. [64] Существует несколько очарованных мезонов, включая
Д±
и
Д0
. [75] Очарованные барионы включаютΛс,Σс,Ξс,Ωс, с различными зарядами и резонансами . [76]

Производство и распад

Частицы, содержащие очарованные кварки, могут быть получены посредством электрон-позитронных столкновений или в адронных столкновениях. [77] Используя различные энергии, электрон-позитронные коллайдеры могут производить пси- или ипсилон- мезоны. [78] Адронные коллайдеры производят частицы, содержащие очарованные кварки с более высоким поперечным сечением . [c] [81] W -бозон также может распадаться на адроны, содержащие очарованный кварк или очарованный антикварк. [82] Z-бозон может распадаться на чармоний посредством фрагментации очарованного кварка. [83] Бозон Хиггса также может распадаться на
Дж/ψ
или
η
счерез тот же механизм. Скорость распада бозона Хиггса в чармоний «регулируется связью очарования-кварк Юкавы ». [84]

Очарованный кварк может распадаться на другие кварки посредством слабых распадов. [64] Очарованный кварк также аннигилирует с очарованным антикварком во время распадов мезонов чармония в основном состоянии. [64]

Ссылки

Примечания

  1. ^ По словам Риордана, слово «чужеземцы» означает «другие виды физиков, которые занимались рассеянием нейтрино или измеряли электрон-позитронные столкновения в накопительных кольцах». [23]
  2. ^ В обзоре физики частиц используется единица ГэВ вместо ГэВ/ c2 . [10] Это связано с тем, что в физике частиц используются естественные единицы , в которых скорость света установлена ​​равной единице. [72] В обзоре также отмечается, что эта масса соответствует «текущей» массе в схеме минимального вычитания (схема MS). [10]
  3. ^ Согласно Марку Томсону , поперечное сечение в физике элементарных частиц является мерой квантово-механической вероятности взаимодействия. [79] Это отношение между скоростью взаимодействия на целевую частицу и потоком падающих частиц. [80]

Цитаты

  1. ^ Амати и др. 1964.
  2. ↑ Маки и Охнуки 1964.
  3. ^ Хара 1964.
  4. ^ аб Глэшоу, Илиопулос и Майани 1970, стр. 1287.
  5. ^ abcd Глэшоу 1976.
  6. ^ ab Riordan 1987, стр. 210.
  7. ^ ab Harari 1977, стр. 6.
  8. ↑ Риордан 1992, стр. 1292.
  9. ^ Левин 2017.
  10. ^ abcde Workman et al. 2022, стр. 32.
  11. ^ Гриффитс 2008, стр. 35.
  12. ^ Гриффитс 2008, стр. 37.
  13. ^ Гриффитс 2008, стр. 39.
  14. ^ Гриффитс 2008, стр. 41.
  15. ^ Гриффитс 2008, стр. 34.
  16. ^ Бьоркен и Глэшоу 1964, с. 255.
  17. ↑ Гриффитс 2008, стр. 44–45.
  18. ^ Аппелквист, Барнетт и Лейн 1978, стр. 390.
  19. ^ Глэшоу, Илиопулос и Майани 1970, с. 1290–1291.
  20. ^ ab Close 1976, стр. 537.
  21. ^ ab Riordan 1987, стр. 297.
  22. ^ ab Rosner 1998, стр. 14.
  23. ↑ Риордан 1987, стр. 295.
  24. ^ Илиопулос 1974, стр. 100.
  25. ^ Джудиче, Джан Франческо. «Естественно говоря: критерий естественности и физика на LHC». Перспективы физики LHC (2008): 155–178.
  26. ^ Гайяр и Ли 1974.
  27. ↑ Риордан 1987, стр. 295–297.
  28. ↑ Риордан 1987, стр. 296.
  29. ^ ab Каццоли и др. 1975.
  30. ^ ab Riordan 1987, стр. 306.
  31. ↑ Риордан 1987, стр. 306, «Это было обнадеживающее, но не убедительное доказательство [...], это было неоднозначно».
  32. ↑ Риордан 1987, стр. 297–298.
  33. ↑ Тинг 1977, стр. 239.
  34. ↑ Тинг 1977, стр. 243.
  35. ↑ Тинг 1977, стр. 244.
  36. ^ ab Southworth 1976, стр. 385.
  37. ↑ Саутворт 1976, стр. 385–386.
  38. ^ ab Rosner 1998, стр. 16.
  39. ^ abc Риордан 1987, стр. 300.
  40. ↑ Риордан 1987, стр. 300.
  41. ↑ Риордан 1987, стр. 304.
  42. ↑ Риордан 1987, стр. 300, «Мюррей ... считает, что очарованный-антиочарованный векторный мезон более вероятен».
  43. ^ ab Riordan 1987, стр. 301.
  44. ↑ Риордан 1987, стр. 303.
  45. ^ abc Риордан 1987, стр. 305.
  46. ^ Обер и др. 1974.
  47. ^ Августин и др. 1974.
  48. ^ Саутворт 1976, стр. 383.
  49. ↑ Риордан 1987, стр. 321.
  50. ^ Роснер 1998, стр. 18.
  51. ↑ Риордан 1987, стр. 319–320.
  52. ↑ Риордан 1987, стр. 310–311.
  53. ↑ Риордан 1987, стр. 312.
  54. ↑ Риордан 1987, стр. 317.
  55. ↑ Риордан 1987, стр. 318.
  56. ↑ Риордан 1987, стр. 319, «Убедительные доказательства обаяния появлялись в сеансе за сеансом. Больше не было никаких сомнений».
  57. ^ Гриффитс 2008, стр. 47, «Благодаря этим открытиям интерпретация... была установлена ​​вне разумных сомнений. Что еще важнее, сама кварковая модель была поставлена ​​на ноги».
  58. ^ Бранделик и др. 1977.
  59. ^ Гриффитс 2008, стр. 47.
  60. ^ Мэттсон и др. 2002.
  61. ^ Яп 2002.
  62. ^ ab Aubert et al. 2007.
  63. ^ ab Starič et al. 2007.
  64. ^ abcde Gersabeck 2014, стр. 2.
  65. ^ Обер и др. 2007, стр. 4.
  66. ^ Сотрудничество NNPDF 2022.
  67. ^ Томпсон и Хау 2022.
  68. ^ Аад и др. 2022.
  69. ^ Эксперимент ATLAS 2022.
  70. ^ Эксперимент LHCb 2022, «Это первое доказательство прямого нарушения CP в индивидуальном распаде очарованного адрона (D 0 → π – π + ), со значимостью 3,8 σ ».
  71. ^ Аппелквист, Барнетт и Лейн 1978, стр. 388.
  72. ^ Томсон 2013, стр. 31.
  73. ^ Томсон 2013, стр. 368.
  74. ^ Воркман и др. 2022, стр. 262–263.
  75. ^ Воркман и др. 2022, стр. 43–45.
  76. ^ Воркман и др. 2022, стр. 100–4.
  77. ^ Герсабек 2014, стр. 3–4.
  78. ^ Герсабек 2014, стр. 3.
  79. ^ Томсон 2013, стр. 26.
  80. ^ Томсон 2013, стр. 69.
  81. ^ Герсабек 2014, стр. 4.
  82. ^ Томсон 2013, стр. 412.
  83. ^ Браатен, Чунг и Юань 1993.
  84. ^ Хан и др. 2022.

Библиография

Новостные статьи

Журнальные статьи

Конференции

Книги

Дальнейшее чтение