Bottomonium

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
(Przekierowano z Ypsilon (cząstka))
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

Bottomonium – ciężki mezon, złożony z kwarku i antykwarku spodniego (zwanego też pięknym) b. Pierwszym odkrytym stanem jest wektorowy mezon ϒ (ypsilon, fizycy zazwyczaj wymawiają jako "upsilon"), ściślej ϒ(1S). Historycznie była to pierwsza odkryta cząstka zawierająca kwark trzeciej generacji.

Jest przykładem stanu zwanego kwarkonium, czyli stanu związanego kwarku i jego antykwarku. Jest w związku z tym swoją własną antycząstką. Lekkie stany mają małą szerokość (stosunkowo długi czas życia), ze względu na regułę OZI.

Stany[edytuj | edytuj kod]

Znanych jest szereg stanów bottomonium, oznaczanych ηb, hb, Υ i χb. Poniższa tabela porównuje ich własności[2].

Oznaczenie Masa [MeV/c²] Szerokość [MeV]
ηb(1S) 9398,0±3,2 11+6−4
ϒ(1S) 9460,30±0,26 0,05402±0,00125
χb0(1P) 9859,44±0,42±0,31
χb1(1P) 9892,78±0,26±0,31
hb(1P) 9899,3±1,0
χb2(1P) 9912,21±0,26±0,31
ηb(2S) 9999±4 <24
ϒ(2S) 10023,26±0,31 0,03198±0,00263
ϒ(1D) 10163,7±1,4
χb0(2P) 10232,5±0,4±0,5
χb1(2P) 10255,46±0,22±0,50
hb(2P) 10259,8±1,2
χb2(2P) 10268,65±0,22±0,50
ϒ(3S) 10355,2±0,5 0,02032±0,00185
χb(3P) 10534±9
ϒ(4S) lub Υ(10580) 10579,4±1,2 20,5±2,5
X(10610)± lub Zb(10610)[3] 10607,2±2,0 18,4±2,4
X(10650)± lub Zb(10650)[3] 10652,2±1,5 11,5±2,2
ϒ(10860) 10876±11 55±28
ϒ(11020) 11019±8 79±16

Znany jest jeden orbitalnie wzbudzony stan mezonu ϒ (JP=2), nazwany ϒ(1D)[4].

Naładowane cząstki Zb(10610) i Zb(10650) to prawdopodobnie tetrakwarki zawierające kwark denny i antydenny, o czym świadczą ich rozpady na stan bottomonium i naładowany lekki mezon[3].

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[5]. 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))[6]. Dopiero te pomiary jednoznacznie potwierdziły, że ϒ rzeczywiście jest cząstką zbudowaną z nowej generacji kwarków[7]. W roku 1979 uruchomiony został nowy pierścień akumulacyjny CESR na Uniwersytecie Cornella. Szybko potwierdził odkrycia DORIS i odkrył kolejne dwa stany wzbudzone[8].

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.

LHC[edytuj | edytuj kod]

Stan χb (3P) (w niesformatowanym tekście ASCII chi_b (3P)) bottomonium był pierwszą cząstką odkrytą w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Artykuł o tym odkryciu został wysłany do arXiv 21 grudnia 2011[9][10] i opublikowany w kwietniu 2012 r. w czasopiśmie Physical Review Letters[11].

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[12].

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 W.-M. Yao et al. (Particle Data Group), J. Phys. G 33, 1 (2006) and 2007 partial update for the 2008 edition (ang.)
  2. bb MESONS. pdg Live. [dostęp 2014-05-30].
  3. 3,0 3,1 3,2 The Zb(10610) and Zb(10650) as axial-vector tetraquark states in the QCD sum rules (ang.). arXiv. [dostęp 2014-06-03].
  4. 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.)
  5. 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
  6. 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
  7. H.Schopper Launching DORIS II and ARGUS, prezentacja w DESY 09.11.2007
  8. K.Berkelman, A Personal History of CESR and CLEO, Cornell Univ. report CLNS 02/1784
  9. Jonathan Amos: LHC reports discovery of its first new particle (ang.). BBC.
  10. arXiv:1112.5154v1 (ang.). 2011-12-21.
  11. G. Aad et al. (ATLAS Collaboration). Observation of a New χb State in Radiative Transitions to Y(1S) and Y(2S) at ATLAS. „Physical Review Letters”. 108 (15). s. 152001. doi:10.1103/PhysRevLett.108.152001. 
  12. Donald H. Perkins: Wstęp do fizyki wysokich energii. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2005, s. 104-110. ISBN 83-01-14246-4.