Очарованные барионы — это категория составных частиц , включающая все барионы, состоящие по крайней мере из одного очарованного кварка . С момента их первого наблюдения в 1970-х годах было идентифицировано большое количество различных состояний очарованных барионов. Наблюдаемые очарованные барионы имеют массы в диапазоне от2300 и2700 МэВ/ c 2 . В 2002 году коллаборация SELEX , базирующаяся в Фермилабе, опубликовала доказательства существования дважды очарованного бариона (
Ξ
копий), содержащий два очарованных кварка) с массой ~3520 МэВ/ c 2 , но пока не подтверждено другими экспериментами. Один трижды очарованный барион (Ωссс) было предсказано, но пока не наблюдалось.
Номенклатура очарованных барионов основана как на содержании кварков , так и на изоспине . Наименование следует правилам, установленным Particle Data Group .
Заряд указывается верхними индексами. Тяжелый кварк ( нижний , очарованный или верхний кварк ) указывается нижними индексами. Например,
Ξ+
сбсостоит из одного основания, одного зачарованного кварка, и это можно вывести из заряда зачарованного (+ 2/3 e ) и нижний кварк (− 1/3 e) что другой кварк должен быть верхним кварком (+ 2/3 д) Иногда для обозначения резонанса используются звездочки или штрихи .
Важные параметры очарованных барионов, которые предстоит изучить, состоят из четырех свойств. Во-первых, это масса, во-вторых, время жизни для тех, у кого измеримое время жизни, в-третьих, внутренняя ширина (частицы, у которых слишком короткое время жизни для измерения, имеют измеримую «ширину» или разброс по массе из-за принципа неопределенности Гейзенберга ), и, наконец, их моды распада. Компиляции измерений этих свойств можно найти в публикациях Группы данных о частицах.
Очарованные барионы образуются при столкновениях частиц высокой энергии, например, при столкновениях с помощью ускорителей частиц . Общий метод их обнаружения заключается в обнаружении продуктов их распада, определении того, какими частицами они являются, и измерении их импульсов . Если все продукты распада найдены и измерены правильно, то можно вычислить массу родительской частицы. Например, предпочтительный распад
Λ+
ссостоит из протона , каона и пиона . Импульсы этих (довольно стабильных) частиц измеряются детектором и, используя обычные правила четырехимпульса с использованием правильных релятивистских уравнений, это дает меру массы родительской частицы.
При столкновениях частиц протоны, каоны и пионы производятся довольно часто, и только часть этих комбинаций будет происходить из очарованного бариона. Таким образом, важно измерить много таких комбинаций. График вычисленной родительской массы затем будет иметь пик при массе
Λ+
с, но это в дополнение к гладкому фону " фазового пространства ". Ширина пика будет определяться разрешением детектора, при условии, что очарованный барион достаточно стабилен (например,
Λ+
скоторый имеет продолжительность жизни около(2 ± 10) × 10−13 с ). Другие, более высокие состояния очарованных барионов, которые распадаются под действием сильного взаимодействия , обычно имеют большую внутреннюю ширину. Это делает пик менее определенным на фоне комбинаций. Первые наблюдения частиц этим методом , как известно, трудны — чрезмерно усердная интерпретация статистических флуктуаций или эффектов, которые производят ложные «пики», означает, что несколько опубликованных результатов впоследствии оказались ложными. Однако с большим количеством данных, собранных в большем количестве экспериментов за эти годы, спектроскопия состояний очарованных барионов теперь достигла зрелого уровня.
Первый очарованный барион, который был обнаружен, был
Λ+
с. Не совсем ясно, когда частица была впервые обнаружена; было несколько экспериментов, которые опубликовали доказательства состояния, начиная с 1975 года, но сообщаемые массы часто были ниже, чем значение, известное сейчас. С тех пор,
Λ+
сбыли получены и изучены во многих экспериментах, в частности, в экспериментах с фиксированной мишенью (таких как FOCUS и SELEX) и
е−
е+
B-фабрики ( ARGUS , CLEO , BABAR и BELLE ).
Окончательное измерение массы было проведено в ходе эксперимента BaBar, который показал массу2 286 .46 МэВ/ c 2 с небольшой неопределенностью. Если говорить в контексте, то он более чем в два раза тяжелее протона . Избыточная масса легко объясняется большой составляющей массой очарованного кварка, которая сама по себе больше массы протона.
Продолжительность жизни
Λ+
сизмерено почти точно 0,2 пикосекунды. Это типичное время жизни для частиц, распадающихся через слабое взаимодействие , принимая во внимание большое доступное фазовое пространство. Измерение времени жизни имеет вклад ряда экспериментов, в частности FOCUS, SELEX и CLEO.
The
Λ+
сраспадается на множество различных конечных состояний, согласно правилам слабых распадов. Распад на протон, каон и пион (каждый из которых заряжен) является любимым у экспериментаторов, поскольку его особенно легко обнаружить. Он составляет около 5% всех распадов; было измерено около 30 различных режимов распада. Исследования этих коэффициентов ветвления позволяют теоретикам распутывать различные фундаментальные диаграммы, способствующие распадам, и являются окном в физику слабых взаимодействий.
Модель кварков вместе с квантовой механикой предсказывает, что должны существовать орбитальные возбуждения
Λ+
счастицы. Самые нижние из этих состояний — те, в которых два легких кварка (верхний и нижний) объединяются в состояние со спином 0, добавляется одна единица орбитального углового момента, и это объединяется с собственным спином очарованного кварка, чтобы создать 1/2 , 3/2 пара частиц. Высшая из них (тем
Λ+
с(2625)) был открыт в 1993 году ARGUS. Сначала было неясно, какое состояние было обнаружено, но последующее открытие низшего состояния (2593) CLEO прояснило ситуацию. Распадные моды, массы, измеренные ширины и распады через два заряженных пиона, а не через один заряженный и один нейтральный пион, все это подтверждает идентификацию состояний.
Как отмечено выше, очарованные сигма-частицы, такие как
Λ+
счастицы, состоят из очарованного кварка и двух легких (верхний , нижний , странный ) кварков. Однако,
Σ
сЧастицы имеют изоспин 1. Это эквивалентно утверждению, что они могут существовать в трех заряженных состояниях: дважды заряженном, однократно заряженном и нейтральном. Ситуация прямо аналогична странной номенклатуре барионов. Основное состояние (то есть без орбитального углового момента ) барионов также можно изобразить таким образом. Каждый кварк является частицей со спином 1/2. Спины могут быть направлены вверх или вниз. В
Λ+
сОсновное состояние, два легких кварка направлены вверх-вниз, давая дикварк с нулевым спином . Затем он объединяется с очарованным кварком, давая частицу со спином 1/2. В
Σ
с, два легких кварка объединяются, образуя дикварк со спином 1, который затем объединяется с очарованным кварком, образуя либо частицу со спином 1/2, либо частицу со спином 3/2 (обычно называемую
Σ∗
с). Именно правила квантовой механики делают возможным
Λ
ссуществовать только с тремя различными кварками (то есть кварками жвачки), тогда как
Σ
сможет существовать как cuu, cud или cdd (отсюда три различных заряда).
Все
Σ
сЧастицы распадаются под действием сильного взаимодействия . Обычно это означает испускание пиона, когда он распадается до сравнительно стабильного
Λ+
с. Таким образом, их массы обычно измеряются не напрямую, а через разность их масс, m(
Σ
с)−м(
Λ+
с). Это легче измерить экспериментально и легче предсказать теоретически, чем абсолютное значение массы.
Самая низкая масса
Σ
сГруппа по данным о частицах дала ему название «2455», используя их соглашение о том, что сильно распадающиеся частицы известны по грубому значению их массы. Его искали с первых дней изучения очарованных барионов. Отдельные события в пузырьковых камерах несколько раз рекламировались экспериментами как доказательство частиц, но неясно, как одно событие такого рода может быть использовано в качестве доказательства резонанса. Еще в 1979 году появились разумные доказательства двухзарядного состояния от сотрудничества Колумбии и Брукхейвена. В 1987–89 годах серия экспериментов (E-400 в Фермилабе, ARGUS и CLEO ) с гораздо большей статистикой нашла четкие доказательства как двухзарядного, так и нейтрального состояний (хотя нейтральное состояние E-400 оказалось ложным сигналом). Стало ясно, что разность масс m (
Σ
с) − м (
Λ+
с) находится вокруг168 МэВ/ c2 . Однозарядное состояние было труднее обнаружить, не потому что его труднее произвести, а просто потому что его распад через нейтральный пион имеет больший фоновый уровень и худшее разрешение при обнаружении большинством детекторов частиц. Он не был обнаружен (за исключением сообщения об одном событии) до 1993 года CLEO .
Внутренняя ширина
Σ
смала по стандартам большинства сильных распадов, но теперь измерена, по крайней мере для нейтральных и дважды заряженных состояний, и составляет около2 МэВ/ c2 детекторами CLEO и FOCUS.
Следующее состояние по массе — это спин 3/2 состояние, обычно известное как
Σ∗
сили
Σ
с(2520). Они явно будут «шире» из-за дополнительного фазового пространства их распада, которое подобно
Σ
с(2455) равно одному пиону плюс основное состояние
Λ
с. Опять же, для заявления о наличии сигнала выше большого количества
Λ
с-
π
пары, которые производятся. Опять же, нейтральные и дважды заряженные состояния экспериментально обнаружить проще, и они были открыты в 1997 году коллаборацией CLEO. Однозарядное состояние пришлось ждать до 2001 года, когда они собрали больше данных.
В стандартной кварковой модели
Ξ+
свключает в себя комбинацию кварков csu и
Ξ0
ссостоит из комбинации кварков csd. Обе частицы распадаются через слабое взаимодействие. Первое наблюдение
Ξ+
сбыл в 1983 году коллаборацией WA62, работающей в ЦЕРНе . Они обнаружили значительный пик в режиме распада
Λ
К−
π+
π+
при массе2460 ± 25 МэВ/ c 2 . Текущее значение массы взято из среднего значения 6 экспериментов и равно2 467,9 ± 0,4 МэВ / с 2 .
The
Ξ0
сбыл открыт в 1989 году CLEO, который измерил пик в режиме распада
Ξ−
π+
с массой2471 ± 5 МэВ/ c 2 . Принятое значение равно2 471,0 ± 0,4 МэВ / с 2 .
Неудивительно, что из четырех слабо распадающихся, однократно очарованных барионов,
Ω
с(комбинация кварков css) была обнаружена последней и наименее хорошо измерена. Ее история неясна. Некоторые авторы утверждают, что в 1985 году кластер из трех событий, наблюдавшихся в ЦЕРНе, был сигналом, но теперь это можно исключить на основании его неправильной массы. Эксперимент ARGUS опубликовал небольшой пик как возможный сигнал в 1993 году, но теперь это можно исключить на основании поперечного сечения, поскольку многие эксперименты работали в той же среде, что и ARGUS, с гораздо большим количеством столкновений. Эксперимент E-687 в Фермилабе опубликовал две статьи, одну в 1993 году и другую в 1994 году. Первая показала небольшой пик пограничной значимости в режиме распада
Ω
π
, и более крупный, по-видимому, надежный сигнал в режиме затухания
Σ+
К−
К−
π+
. Это последнее наблюдение считается действительным Particle Data Group, но все больше кажется странным, поскольку этот режим распада не наблюдался в других экспериментах. Эксперимент CLEO затем показал пик в 40 событий в сумме различных режимов распада и массу2 494 .6 МэВ/ c 2 . С тех пор два эксперимента, BaBar и Belle , собрали большой объем данных и показали очень сильные сигналы при массе, очень похожей на значение CLEO. Однако ни один из них не провел необходимые исследования, чтобы иметь возможность указать массу с неопределенностью. Поэтому, хотя нет сомнений в том, что частица была обнаружена, нет точного измерения ее массы.