Fermiony |
| ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Bozony |
| ||||||||
Inne | |||||||||
Hipotetyczne |
|
Hadrony |
| ||||
---|---|---|---|---|---|
Inne | |||||
Hipotetyczne |
|
Elektrony i dziury | |
---|---|
Fonony i pokrewne | |
Separacja spinowo-ładunkowa | |
Odpowiedniki cz. elementarnych | |
Inne |
![]() | |
Klasyfikacja | mezon |
---|---|
Typ | bozon |
Generacja | 3 |
Symbol | ϒ, ϒ(1S) |
Odkryta | 1977 |
Ładunek | 0 |
Masa | 9460,30±0,26 MeV/c²[1] |
Szerokość | 54,02±1,25 keV[1] |
Spin | 1− |
Generacja | 3 |
Bottomonium – ciężki mezon, złożony z kwarku i antykwarku spodniego (zwanego też pięknym) 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.
Znanych jest szereg stanów bottomonium, oznaczanych ηb, i 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].
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:
Zderzenia elektronów z pozytonami 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, (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.:
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].
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].
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]:
lub
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.