Ypsilon (cząstka)

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
upsilon
Symbol ϒ, ϒ(1S)
Typ bozon
Klasyfikacja mezon
Ładunek 0
Masa 9460,30±0,26 MeV/c²[1]
Szerokość 54,02±1,25 keV[1]
Spin 1
Generacja 3
Odkryta 1977

Mezon ϒ (ypsilon, fizycy zazwyczaj wymawiają jako "upsilon") – ciężki mezon wektorowy, złożony z kwarku i antykwarku spodniego (zwanego też pięknym) b. Historycznie była to pierwsza odkryta cząstka zawierająca kwark trzeciej generacji.

Jest przykładem stanu zwanego kwarkonium (dokładniej bottomonium), czyli stanu związanego kwarku i jego antykwarku. Jest w związku z tym swoją własną antycząstką.

Znanych jest szereg stanów radialnie wzbudzonych tego mezonu. Poniższa tabela porównuje własności stanu podstawowego, oznaczanego czasem ϒ(1S) i znanych stanów wzbudzonych[1].

Oznaczenie Masa [MeV/c²] Szerokość [MeV]
ϒ(1S) 9460,30 0,054
ϒ(2S) 10023,26 0,032
ϒ(3S) 10355,2 0,020
ϒ(4S) 10579,4 20,5
ϒ(10860) 10865 110
ϒ(11020) 11019 79

Znany jest też jeden orbitalnie wzbudzony stan tego mezonu (JP=2), nazwany ϒ(1D), o masie 10161 MeV/c²[2].

Historia odkrycia i badań[edytuj | edytuj kod]

Wykres masy niezmienniczej pary mionów w eksperymencie E288. "Górka" nieco poniżej 10 GeV pochodzi z rozpadu mezonu ϒ.

Pierwsze doniesienie o odkryciu cząstki ypsilon zostało opublikowane w styczniu 1976 przez zespół E288 z Fermilabu, pracujący pod kierunkiem Leona Ledermana. Okazało się ono jednak błędne i zostało nazwane żartobliwie "Oops-Leon".

Cząstka ypsilon została ostatecznie odkryta w roku 1977 przez ten sam zespół[3]. W eksperymencie analizowano produkty zderzeń wysokoenergetycznych protonów z tarczami z ciężkich metali (miedź, platyna), wykrywając wyprodukowane w zderzeniu miony i mierząc ich pędy. Na wykresie masy niezmienniczej pary mionów zaobserwowano zwiększoną liczbę przypadków przy masie około 9,5 GeV/c². Nadmiar ten został zinterpretowany jako efekt produkcji nowej cząstki i jej niemal natychmiastowego rozpadu:

\Upsilon\rightarrow\mu^+\mu^-.

Eksperymenty elektron-pozyton[edytuj | edytuj kod]

Zderzenia elektronów z pozytonami (e+e) są idealną metodą produkcji i badania własności stanów kwarkonium. Wirtualny foton powstały w anihilacji elektronu i pozytonu może rozpaść się na parę kwark-antykwark, o ile tylko jego energia jest dostatecznie wysoka dla wyprodukowania takiej pary. Jeżeli przy tym powstająca para może utworzyć stan związany (kwarkonium), następuje rezonansowe zwiększenie przekroju czynnego na zderzenie elektron-pozyton. Zmieniając energię zderzających się cząstek i mierząc przekrój czynny, można obserwować stany kwarkonium i precyzyjnie mierzyć ich masy.

Krótko po ogłoszeniu odkrycia w roku 1978 pracujący w DESY akcelerator DORIS został pospiesznie zmodyfikowany, by jego wiązki mogły osiągnąć energię 5 GeV. Pracujące przy nim eksperymenty PLUTO i DASP szybko odnalazły rezonans ϒ i zmierzyły jego parametry. W kilka miesięcy później odkryto drugi stan, ϒ ’ (obecnie oznaczany ϒ(2S))[4]. Dopiero te pomiary jednoznacznie potwierdziły, że ϒ rzeczywiście jest cząstką zbudowaną z nowej generacji kwarków[5]. W roku 1979 uruchomiony został nowy pierścień akumulacyjny CESR na Uniwersytecie Cornella. Szybko potwierdził odkrycia DORIS i odkrył kolejne dwa stany wzbudzone[6].

Przez następne kilkanaście lat DORIS i CESR prowadziły badania w obszarze energetycznym odpowiadającym rezonansom ϒ. Ich efektem były m.in.:

  • odkrycie znanego obecnie spektrum stanów ϒ;
  • dokładne wyznaczenie mas i szerokości wszystkich stanów;
  • odkrycie innych stanów spinowych układu bb, nazwanych χb.


Cząstki elementarne
leptony
e μ τ
νe νμ ντ
kwarki
u c t
d s b
nośniki oddziaływań
γ Z0 W± gluon g
hadrony
mezony
π K J/ψ
ϒ B D
bariony
p n Λ Δ
Σ Ξ Ω
bozony
fermiony


Wykorzystanie[edytuj | edytuj kod]

Ciężkie kwarkonia, a więc w szczególności i cząstka ϒ, stanowią doskonałe laboratorium do sprawdzania przewidywań chromodynamiki kwantowej. Obliczone przez QCD energie stanów wzbudzonych są porównywane ze zmierzonymi, a wyniki wykorzystywane są do ulepszania metod obliczeniowych i wyznaczania parametrów teorii[7].

ϒ(4S)[edytuj | edytuj kod]

Stan ϒ(4S) jest szczególnie interesujący z eksperymentalnego punktu widzenia, ponieważ jego masa jest minimalnie wyższa od podwojonej masy mezonu B. Dzięki temu ϒ(4S) rozpada się niemal w 100% na pary mezonów B[1]:

 \Upsilon(4S) \rightarrow B^+B^-

lub

 \Upsilon(4S) \rightarrow B^0\bar{B}^0 .

Rozpady ϒ(4S) stanowią bardzo „czyste” źródło mezonów B, umożliwiające precyzyjne badanie ich własności. Tak zwane „fabryki B” – akceleratory zbudowane specjalnie do badań nad tymi mezonami, pracują przy energii w układzie środka masy zderzających się cząstek równej masie tego stanu.

Przypisy

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 W.-M. Yao et al. (Particle Data Group), J. Phys. G 33, 1 (2006) and 2007 partial update for the 2008 edition (ang.)
  2. CLEO Collaboration (G. Bonvicini et al.), First observation of a ϒ(1D) state, Phys. Rev. D70 (2004) 032001, DOI:10.1103/PhysRevD.70.032001, arXiv:hep-ex/0404021 (ang.)
  3. S. W. Herb et al., Observation of a Dimuon Resonance at 9.5 GeV in 400-GeV Proton-Nucleus Collisions, Phys. Rev. Lett. 39 (1977) 252, DOI:10.1103/PhysRevLett.39.252, preprint
  4. J. K. Bienlein et al., Observation of a narrow resonance at 10.02 GeV in e+e annihilations, Phys. Lett. B 78 (1978) 360
    C. W. Darden et al., Evidence for a narrow resonance at 10.01 GeV in electron-positron annihilations, Phys. Lett. B 78 (1978) 364
  5. H.Schopper Launching DORIS II and ARGUS, prezentacja w DESY 09.11.2007
  6. K.Berkelman, A Personal History of CESR and CLEO, Cornell Univ. report CLNS 02/1784
  7. Donald H. Perkins: Wstęp do fizyki wysokich energii. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2005, s. 104-110. ISBN 83-01-14246-4.