Quarkonia

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Quarkonia  es un tipo de mesón que consta de un quark y un antiquark del mismo sabor [1] . Ejemplos de tales partículas son el mesón J/ψ ( c c , el estado de charmonio ver más abajo ) y el mesón ϒ ( b b , el estado de bottomonio ver más abajo ). El estado ligado real del quark t y el antiquark - toponio , o mesón theta  - no existe, ya que el quark t decae por interacción débil antes de que pueda formar un estado ligado (sin embargo, un par virtual t t puede existir ). Por lo general, el término "quarkonia" se usa solo en relación con sabores pesados, es decir, mesones formados por quarks pesados ​​( c , b , t ). Esto se debe al hecho de que los estados físicos de los quarks ligeros ( u , d y s ) observados en el experimento son superposiciones mecánicas cuánticas de todos los sabores. La gran diferencia en las masas de los quarks charmed ( с ) y beauty ( b ) con sabores ligeros lleva a que los estados de los primeros estén bien descritos en términos de pares quark-antiquark del mismo sabor.

Estados Charmonium

En la tabla presentada, las mismas partículas se pueden nombrar usando notación espectroscópica o indicando su masa. En algunos casos se utilizan una serie de excitaciones: Ψ′  es la primera excitación Ψ (históricamente este estado se denomina J / ψ ), Ψ″  es la segunda excitación, etc.

Algunos estados se predicen pero aún no se descubren; otros no están confirmados. Se desconocen los números cuánticos de la partícula X(3872) , y existe una discusión sobre su estructura. Podría ser:

En 2005, el experimento BaBar anunció el descubrimiento de un nuevo estado, Y(4260) [2] [3] . Los experimentos CLEO y Belle también confirmaron su existencia. Originalmente se pensó que era un estado de charmonium, sin embargo, hay evidencia de una naturaleza más exótica de esta partícula, como una molécula de mesón D , un sistema de 4 quarks o un mesón híbrido.

Término n 2 S + 1 L J IG ( JPC ) _ _ _ Partícula Masa (MeV/ c² ) [4]
1 1 S 0 0 + (0 −+ ) η c (1 S ) 2980.3±1.2
1³S 1 0 − (1 −− ) J/ψ(1 S ) 3096,916 ± 0,011
1 1 PAG 1 0 - (1 + - ) h c (1 P ) 3525,93±0,27
1³P 0 0+ ( 0 ++ ) χ c 0 (1 P ) 3414,75±0,31
1³P 1 0 + (1 ++ ) χ c 1 (1 P ) 3510,66±0,07
1³P 2 0+ ( 2 ++ ) χ c 2 (1 P ) 3556,20 ± 0,09
2 1 S 0 0 + (0 −+ ) η c (2 S ) o η′ c 3637±4
2³S 1 0 − (1 −− ) ψ (3686) 3686.09±0.04
1 1 D 2 0 + (2 −+ ) η c 2 (1 D ) †
1³D 1 0 − (1 −− ) ψ (3770) 3772,92±0,35
1³D 2 0 − (2 −− ) ψ 2 (1 D )
1³D 3 0 − (3 −− ) ψ 3 (1 D ) 3842 ± 1 [5]
2 1 PAG 1 0 - (1 + - ) h c (2 P ) †
2³P 0 0+ ( 0 ++ ) χ c 0 (2 P ) †
2³P 1 0 + (1 ++ ) χ c 1 (2 P ) †
2³P 2 0+ ( 2 ++ ) χ c 2 (2 P ) †
? ? ? ? 0 ? (? ? ) † X (3872) 3872.2±0.8
? ? ? ? ? ? (1 - - ) Y (4260) 4260+8
−9

Notas:

* Requiere confirmación. † Predicho pero aún no descubierto. † Interpretado como el estado charmonium 1 −− .

Estados de Bottomonia

En la tabla presentada, las mismas partículas se pueden nombrar usando notación espectroscópica o indicando su masa.

Algunos estados se predicen pero aún no se descubren; otros no están confirmados.

Término n 2 S + 1 L J IG ( JPC ) _ _ _ Partícula Masa (MeV/ c² ) [6]
1 1 S 0 0 + (0 −+ ) η b (1 S ) 9388.9+3,1
−2,3
1³S 1 0 − (1 −− ) Υ ( 1S ) 9460,30 ± 0,26
1 1 PAG 1 0 - (1 + - ) h segundo (1 P )
1³P 0 0+ ( 0 ++ ) x segundo 0 (1 P ) 9859,44±0,52
1³P 1 0 + (1 ++ ) x segundo 1 (1 P ) 9892,76±0,40
1³P 2 0+ ( 2 ++ ) x segundo 2 (1 P ) 9912,21±0,40
2 1 S 0 0 + (0 −+ ) η b (2 S )
2³S 1 0 − (1 −− ) Υ ( 2S ) 10023,26±0,31
1 1 D 2 0 + (2 −+ ) η segundo 2 (1 D )
1³D 1 0 − (1 −− ) Υ (1 D ) 10161,1 ± 1,7
1³D 2 0 − (2 −− ) Υ 2 (1 D )
1³D 3 0 − (3 −− ) Y 3 ( 1D )
2 1 PAG 1 0 - (1 + - ) h segundo (2 P )
2³P 0 0+ ( 0 ++ ) x segundo 0 (2 P ) 10232,5±0,6
2³P 1 0 + (1 ++ ) x segundo 1 (2 P ) 10255,46±0,55
2³P 2 0+ ( 2 ++ ) x segundo 2 (2 P ) 10268,65±0,55
3³S 1 0 − (1 −− ) Y ( 3S ) 10355.2±0.5
4³S 1 0 − (1 −− ) Υ (4 S ) o Υ (10580) 10579.4±1.2
5³S 1 0 − (1 −− ) Y ( 10860 ) 10865±8
6³S 1 0 − (1 −− ) Y (11020) 11019±8

Notas :

* Resultado preliminar, se requiere confirmación.

Quarkonia en QCD

Los cálculos de las propiedades de los mesones en cromodinámica cuántica (QCD) no son perturbativos. Por lo tanto, el único método general disponible sigue siendo un cálculo directo utilizando QCD en una red . Sin embargo, existen otros métodos que también son efectivos para quarkonium pesado.

Los quarks ligeros en el mesón se mueven con velocidades relativistas , ya que la masa de su estado ligado es mucho mayor que las masas de los propios quarks constituyentes. Pero la velocidad de los quarks encantado y belleza en los estados correspondientes de quarkonia es mucho menor, y los efectos relativistas afectan a tales estados en menor medida. Las estimaciones de estas velocidades v dan aproximadamente 0,3 de la velocidad de la luz para el charmonio y 0,1 para el bottomonio. Por lo tanto, los cálculos de dichos estados se pueden realizar expandiendo las potencias del pequeño parámetro v/c . Este método se llama QCD no relativista (NRQCD).

La QCD no relativista también se cuantifica como una teoría de calibre de celosía , lo que permite utilizar un enfoque más en los cálculos de QCD de celosía. Por lo tanto, se obtuvo una buena concordancia con el experimento en cuanto a las masas de bottomonio, y esta es una de las mejores pruebas de la validez del método QCD de celosía. Para las masas de charmonium, la concordancia no es tan buena, pero los científicos están trabajando para mejorar este método. También se está trabajando en la dirección de calcular propiedades tales como los anchos de los estados de quarkonium y las probabilidades de transición entre estados.

Otro método históricamente temprano pero aún efectivo utiliza el modelo de potencial efectivo para calcular las masas de los estados de quarkonium. Se supone que los quarks que componen el quarkonium se mueven a velocidades no relativistas en un potencial estático, de forma similar a como lo hace un electrón en el modelo no relativista del átomo de hidrógeno . Uno de los modelos de potencial más populares se llama potencial de Cornell:

donde r  es el radio efectivo del estado límite, a y b  son algunos parámetros. Este potencial tiene dos partes. La primera, a/r , corresponde al potencial creado por un intercambio de un gluón entre un quark y un antiquark, y se denomina parte de Coulomb, ya que repite la forma del potencial de Coulomb del campo electromagnético , también proporcional a 1 / r . La segunda parte, br , corresponde al efecto de confinamiento de quarks . Por lo general, cuando se usa este enfoque, se toma una forma conveniente de la función de onda de los quarks, y los parámetros a y b se determinan ajustando los valores medidos experimentalmente de las masas de los quarkonia. Los efectos relativistas y de otro tipo se pueden tener en cuenta agregando términos adicionales al potencial, tal como se hace con el átomo de hidrógeno en la mecánica cuántica no relativista.

Este último método no tiene una fundamentación teórica cualitativa, pero es muy popular, ya que permite predecir con bastante precisión los parámetros del quarkonium, evitando largos cálculos de red, y también separa la influencia del potencial de Coulomb de corto alcance y el de largo alcance. efecto de confinamiento. Esto resulta útil para comprender la naturaleza de las fuerzas entre un quark y un antiquark en QCD.

Significado

El estudio de los quarkonias es de interés desde el punto de vista de la determinación de los parámetros de la interacción quark- gluón . Los mesones son más fáciles de estudiar, ya que consisten en solo dos quarks, y la quarkonia es la más adecuada para este propósito debido a su simetría.

Véase también

Notas

  1. ↑ El sufijo -onium ( -onium ) se utiliza para designar sistemas acoplados formados por una partícula y la correspondiente antipartícula; a veces se utiliza el término genérico onium para tales sistemas .
  2. ↑ Una nueva partícula descubierta por el experimento BaBar . Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (6 de julio de 2005). Consultado el 6 de marzo de 2010. Archivado desde el original el 11 de marzo de 2012.
  3. ↑ B.Aubert et al. ( Colaboración BaBar ). Observación de una estructura amplia en el espectro de masas π + π − J/ψ en torno a 4,26 GeV/c2 (2005). Consultado el 29 de abril de 2010. Archivado desde el original el 18 de enero de 2016.
  4. ↑ Patrignani C. et al. (Grupo de datos de partículas) . 2016 Revista de Física de Partículas. , Barbilla. física C, 40, 100001 (2016). [https://web.archive.org/web/20161213201506/http://pdglive.lbl.gov/ParticleGroup.action?node=MXXX025&init= Archivado el 13 de diciembre de 2016 en Wayback Machine . Archivado el 13 de diciembre de 2016 en Wayback . Máquina c c MESONES]
  5. ↑ Nueva partícula descubierta en el CERN que refinará el modelo de quarks . www.inp.nsk.su Consultado el 28 de febrero de 2019. Archivado desde el original el 28 de febrero de 2019.
  6. ↑ Patrignani C. et al. (Grupo de datos de partículas) . 2016 Revista de Física de Partículas. , Barbilla. física C, 40, 100001 (2016). [https://web.archive.org/web/20161213201723/http://pdglive.lbl.gov/ParticleGroup.action?node=MXXX030&init= Archivado el 13 de diciembre de 2016 en Wayback Machine . Archivado el 13 de diciembre de 2016 en Wayback . Máquina b b MESONES]

Literatura