Quarkonium

En física de partículas , el quarkonium (de quark y -onium , pl. Quarkonia ) es un mesón sin sabor cuyos constituyentes son un quark pesado y su propio antiquark, lo que lo convierte en una partícula neutra y la antipartícula de sí misma.

Quarks ligeros

Artículo principal: Mesón vectorial

Los quarks ligeros ( arriba , abajo y extraños ) son mucho menos masivos que los quarks más pesados, por lo que los estados físicos que se ven realmente en los experimentos ( mesones η , η ′ y π ⁰ ) son mezclas de la mecánica cuántica de los estados de los quarks ligeros. Las diferencias de masa mucho mayores entre los quarks charm y bottom y los quarks más ligeros dan como resultado estados que están bien definidos en términos de un par quark-antiquark de un sabor determinado.

Quarks pesados

Ejemplos de quarkonia son el mesón J / ψ (el estado fundamental del charmonium ,
C

C
) y el
ϒ
mesón ( bottomonio ,
B

B
). Debido a la alta masa del quark top , el toponio ( mesón θ ) no existe, ya que el quark top se desintegra a través de la interacción electrodébil antes de que se pueda formar un estado ligado (un raro ejemplo de un proceso débil que avanza más rápidamente que un proceso fuerte ) . Por lo general, la palabra "quarkonium" se refiere sólo a charmonium y bottomonium, y no a ninguno de los estados quark-antiquark más ligeros.

Charmonium

Ver también: mesón J / ψ

Charmonium

En la siguiente tabla, la misma partícula se puede nombrar con la notación espectroscópica o con su masa. En algunos casos se utilizan series de excitación: Ψ ′ es la primera excitación de Ψ (que, por razones históricas, se denomina
J / ψ
partícula); Ψ ″ es una segunda excitación, y así sucesivamente. Es decir, los nombres en la misma celda son sinónimos.

Algunos de los estados están previstos, pero no se han identificado; otros no están confirmados. Los números cuánticos de la partícula X (3872) se han medido recientemente mediante el experimento LHCb en el CERN. ^[1] Esta medida arrojó algo de luz sobre su identidad, excluyendo la tercera opción entre las tres previstas, que son:

• un estado híbrido de charmonium
• a
  D⁰
  
  D^{∗ 0}
  molécula
• candidato a la 1 ¹ D ₂ Estado

En 2005, el experimento BaBar anunció el descubrimiento de un nuevo estado: Y (4260) . ^{[2] [3]} CLEO y Belle desde entonces han corroborado estas observaciones. Al principio, se pensó que Y (4260) era un estado de charmonium, pero la evidencia sugiere explicaciones más exóticas, como una "molécula" D, una construcción de 4 quarks o un mesón híbrido .

Término símbolo n 2 S + 1 L J	Yo G ( J P C )	Partícula	masa (MeV / c 2 ) [4]
1 1 S 0	0 + (0 - + )	η c (1 S )	2 983, 4 ± 0,5
1 3 S 1	0 - (1 −− )	J / ψ (1 S )	3 096 0.900 ± 0.006
1 1 P 1	0 - (1 + - )	h c (1 P )	3 525 0,38 ± 0,11
1 3 P 0	0 + (0 ++ )	χ c 0 (1 P )	3 414 0,75 ± 0,31
1 3 P 1	0 + (1 ++ )	χ c 1 (1 P )	3 510 0,66 ± 0,07
1 3 P 2	0 + (2 ++ )	χ c 2 (1 P )	3 556 .20 ± 0.09
2 1 S 0	0 + (0 - + )	η c (2 S ), o η ′ C	3 639 0,2 ± 1,2
2 3 S 1	0 - (1 −− )	ψ (2S) o ψ (3686)	3 686 0.097 ± 0.025
1 1 D 2	0 + (2 - + )	η c 2 (1 D )
1 3 D 1	0 - (1 −− )	ψ (3770)	3 773 0,13 ± 0,35
1 3 D 2	0 - (2 −− )	ψ 2 (1 D )
1 3 D 3	0 - (3 −− )	ψ 3 (1 D ) [‡]
2 1 P 1	0 - (1 + - )	h c (2 P ) [‡]
2 3 P 0	0 + (0 ++ )	χ c 0 (2 P ) [‡]
2 3 P 1	0 + (1 ++ )	χ c 1 (2 P ) [‡]
2 3 P 2	0 + (2 ++ )	χ c 2 (2 P ) [‡]
? ? ? ?	0 + (1 ++ ) [ * ]	X (3872)	3 871 0,69 ± 0,17
? ? ? ?	? ? (1 −− ) [†]	Y (4260)	4263+8 −9

Notas:

[ _* ] Necesita confirmación.

[†] No se favorece la interpretación como un estado de 1 ⁻⁻ charmonium.

[‡] Previsto, pero aún no identificado.

Bottomonio

Bottomonio

Ver también: mesón Upsilon

En la siguiente tabla, la misma partícula se puede nombrar con la notación espectroscópica o con su masa. Algunos de los estados están previstos, pero no se han identificado; otros no están confirmados.

Término símbolo n 2S + 1 L J	Yo G ( J P C )	Partícula	masa (MeV / c 2 ) [5]
1 1 S 0	0 + (0 - + )	ηB(1S)	9 390 0,9 ± 2,8
1 3 S 1	0 - (1 −− )	ϒ(1S)	9 460 0,30 ± 0,26
1 1 P 1	0 - (1 + - )	h B(1P)	9 899, 3 ± 0,8
1 3 P 0	0 + (0 ++ )	χb0(1P)	9 859 0,44 ± 0,52
1 3 P 1	0 + (1 ++ )	χb1(1P)	9 892 0,76 ± 0,40
1 3 P 2	0 + (2 ++ )	χb2(1P)	9 912 0,21 ± 0,40
2 1 S 0	0 + (0 - + )	ηB(2S)
2 3 S 1	0 - (1 −− )	ϒ(2S)	10 023 0.26 ± 0.31
1 1 D 2	0 + (2 - + )	ηB2 (1D)
1 3 D 1	0 - (1 −− )	ϒ(1D)
1 3 D 2	0 - (2 −− )	ϒ2 (1D)	10 161 .1 ± 1,7
1 3 D 3	0 - (3 −− )	ϒ3 (1D)
2 1 P 1	0 - (1 + - )	h B(2P)
2 3 P 0	0 + (0 ++ )	χb0(2P)	10 232 0,5 ± 0,6
2 3 P 1	0 + (1 ++ )	χb1(2P)	10 255, 46 ± 0,55
2 3 P 2	0 + (2 ++ )	χb2(2P)	10 268 0,65 ± 0,55
3 3 S 1	0 - (1 −− )	ϒ(3S)	10 355 0,2 ± 0,5
3 3 P 1	0 + (1 ++ )	χb1(3P)	10 513 0,42 ± 0,41 (stat.) ± 0,53 (sist.) [6]
3 3 P 2	0 + (2 ++ )	χb2(3P)	10 524 0,02 ± 0,57 (stat.) ± 0,53 (sist.) [6]
4 3 S 1	0 - (1 −− )	ϒ(4 S ) oϒ(10580)	10 579, 4 ± 1,2
5 3 S 1	0 - (1 −− )	ϒ(5S) o ϒ(10860)	10 865 ± 8
6 3 S 1	0 - (1 −− )	ϒ(11020)	11 019 ± 8

Notas :

[ _* ] Resultados preliminares. Se necesita confirmación.

El ϒEl estado (1S) fue descubierto por el equipo del experimento E288 , encabezado por Leon Lederman , en Fermilab en 1977, y fue la primera partícula que contenía un quark de fondo que se descubrió. El 21 de diciembre de 2011, elχb2El estado (3P) fue la primera partícula descubierta en el Gran Colisionador de Hadrones ; el artículo de descubrimiento se publicó por primera vez en arXiv . ^{[7] [8]} de abril de 2012, el experimento DO de Tevatron confirmó el resultado en un artículo publicado en Physical Review D . ^{[9] [10]} Los estados J = 1 y J = 2 se resolvieron por primera vez mediante el experimento CMS en 2018. ^[6]

Toponio

Artículo principal: mesón theta

Se espera que el mesón theta sea ​​físicamente inobservable, ya que los quarks superiores se desintegran demasiado rápido para formar mesones.

Esta sección necesita expansión . Puedes ayudar agregando más . ( Abril de 2017 )

QCD y quarkonium

El cálculo de las propiedades de los mesones en la cromodinámica cuántica (QCD) es completamente no perturbativo. Como resultado, el único método general disponible es un cálculo directo utilizando técnicas de celosía QCD (LQCD). ^{[ cita requerida ]} Sin embargo, para el quarkonium pesado, otras técnicas también son efectivas.

Los quarks ligeros en un mesón se mueven a velocidades relativistas , ya que la masa del estado ligado es mucho mayor que la masa del quark. Sin embargo, la velocidad de los quarks charm y bottom en sus respectivos quarkonia es lo suficientemente pequeña como para que los efectos relativistas en estos estados se reduzcan mucho. Se estima que la velocidad`` es aproximadamente 0,3 veces la velocidad de la luz para la charmonia y aproximadamente 0,1 veces la velocidad de la luz para la bottomonia. Entonces, el cálculo puede aproximarse mediante una expansión en las potencias de y . Esta técnica se llama QCD no relativista (NRQCD).${\displaystyle \mathbf {v} }$${\displaystyle \;{\frac {\mathbf {v} }{\;c\;}}\;}$${\displaystyle \;{\frac {v^{2}}{\;c^{2}\,}}\;}$

NRQCD también se ha cuantificado como una teoría de calibre de celosía , que proporciona otra técnica para usar en los cálculos de LQCD. Se ha encontrado una buena concordancia con las masas de bottomonio, y esto proporciona una de las mejores pruebas no perturbativas de LQCD. Para las masas de charmonium, el acuerdo no es tan bueno, pero la comunidad LQCD está trabajando activamente para mejorar sus técnicas. También se está trabajando en el cálculo de propiedades tales como el ancho de los estados de quarkonia y las tasas de transición entre los estados.

Una técnica temprana, pero aún efectiva, utiliza modelos del potencial efectivo para calcular masas de estados de quarkonium. En esta técnica, se utiliza el hecho de que el movimiento de los quarks que componen el estado del quarkonium no es relativista para asumir que se mueven en un potencial estático, al igual que los modelos no relativistas del átomo de hidrógeno. Uno de los modelos de potencial más populares es el llamado potencial de Cornell (o embudo ) : ^[11]

${\displaystyle V(r)=-{\frac {a}{\;r\;}}+b\,r~}$

donde es el radio efectivo del estado del quarkonium y son parámetros.${\displaystyle r}$${\displaystyle a}$${\displaystyle b}$

Este potencial tiene dos partes. La primera parte, corresponde al potencial inducido por el intercambio de un gluón entre el quark y su anti-quark, y se conoce como la parte Coulombic del potencial, ya que su forma es idéntica al conocido potencial Coulombic inducido por el fuerza electromagnetica.${\displaystyle \;{\frac {a}{\;r\;}}\;}$${\displaystyle \;{\frac {1}{\;r\;}}\;}$

La segunda parte, se conoce como la parte de confinamiento del potencial y parametriza los efectos no perturbativos poco conocidos de la QCD. Generalmente, cuando se usa este enfoque, se toma una forma conveniente para la función de onda de los quarks, y luego y se determinan ajustando los resultados de los cálculos a las masas de estados de quarkonium bien medidos. Los efectos relativistas y de otro tipo se pueden incorporar en este enfoque agregando términos adicionales al potencial, como se hace con el modelo de átomo de hidrógeno en la mecánica cuántica no relativista.${\displaystyle \;b\,r\;}$${\displaystyle \;a\;}$${\displaystyle \;b\;}$

Esta forma fue derivada de QCD hasta por Sumino (2003). ^[12] Es popular porque permite predicciones precisas de los parámetros de quarkonium sin un cálculo de celosía prolongado, y proporciona una separación entre los efectos de Coulombic de corta distancia y los efectos de confinamiento de larga distancia que pueden ser útiles para comprender el quark / anti- fuerza de quark generada por QCD.${\displaystyle \;{\mathcal {O}}(\Lambda _{\text{QCD}}^{3}\,r^{2})\;}$

Se ha sugerido que la quarkonia es una herramienta de diagnóstico de la formación del plasma de quarks-gluones : puede ocurrir tanto la desaparición como la mejora de su formación dependiendo del rendimiento de los quarks pesados ​​en el plasma.

Ver también

• Regla OZI

Referencias

1. Aaij, R .; et al. (Colaboración LHCb) (2013). "Determinación de los números cuánticos del mesón X (3872)". Cartas de revisión física . 110 (22): 222001. arXiv : 1302.6269 . Código Bibliográfico : 2013PhRvL.110v2001A . doi : 10.1103 / PhysRevLett.110.222001 . PMID  23767712 . S2CID  11478351 .
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 .
3. Aubert, B .; et al. ( Colaboración BaBar ) (2005). "Observación de una estructura amplia en el espectro de masas π ⁺ π ^- J / ψ alrededor4,26 GeV / c ² ". Physical Review Letters . 95 (14): 142001. arXiv : hep-ex / 0506081 . Bibcode : 2005PhRvL..95n2001A . Doi : 10.1103 / PhysRevLett.95.142001 . PMID  16241645 . S2CID  32538123 .
4. "c c mesones (incluidos posiblemente estados no q q " .
5. " mesones b b (incluidos posiblemente estados no q q " .
6. Sirunyan, AM; et al. ( Colaboración CMS ) (2018). "Observación de laχb1(3P) y χb2(3P) y medición de sus masas " . Physical Review Letters . 121 (9): 092002. arXiv : 1805.11192 . Bibcode : 2018PhRvL.121i2002S . Doi : 10.1103 / PhysRevLett.121.092002 . PMID  30230889 .
7. Aad, G .; et al. ( Colaboración ATLAS ) (2012). "Observación de un nuevoχB estado en transiciones radiativas a ϒ(1S) y ϒ(2S) en ATLAS " . Physical Review Letters . 108 (15): 152001. arXiv : 1112.5154 . Bibcode : 2012PhRvL.108o2001A . Doi : 10.1103 / PhysRevLett.108.152001 . PMID  22587245 .
8. Jonathan Amos (22 de diciembre de 2011). "LHC informa del descubrimiento de su primera partícula nueva" . BBC .
9. "El experimento de Tevatron confirma el descubrimiento del LHC de la partícula Chi-b (P3)" . Simetría . 9 de abril de 2012.
10. "Observación de un estado de masa estrecha que decae en ϒ (1S) + γ en colisiones de pp a 1,96 TeV" (PDF) . www-d0.fnal.gov .
11. Chung, Hee Sok; Lee, Jungil; Kang, Daekyoung (2008). "Parámetros de potencial de Cornell para quarkonia pesado de onda S". Revista de la Sociedad Coreana de Física . 52 (4): 1151-1154. arXiv : 0803.3116 . Código Bibliográfico : 2008JKPS ... 52.1151C . doi : 10.3938 / jkps.52.1151 . S2CID 118586941 . 
12. Sumino, Y. (2003). "Potencial QCD como un" potencial "Coulomb-plus-linear". Physics Letters B . 571 (3–4): 173–183. arXiv : hep-ph / 0303120 . Código bibliográfico : 2003PhLB..571..173S . doi : 10.1016 / j.physletb.2003.05.010 . S2CID 9000097 .