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Mesón J/psi

El
J/ψ
( J/psi ) mesón / ˈ dʒ eɪ ˈ s aɪ ˈ m iː z ɒ n / es una partícula subatómica , un mesón de sabor neutro que consiste en un quark charm y un antiquark charm . Los mesones formados por un estado ligado de un quark charm y un antiquark charm se conocen generalmente como " charmonium " o psiones. [ 1 ]
J/ψ
es la forma más común de charmonium, debido a su espín de 1 y su baja masa en reposo .
J/ψ
tiene una masa en reposo de3,0969  GeV/ c 2 , justo por encima del de la
η
do(2,9836  GeV/ c 2 ), y una vida media de7,2 × 10 −21  s . Esta vida útil fue aproximadamente mil veces más larga de lo esperado. [2]

Su descubrimiento fue realizado independientemente por dos grupos de investigación, uno en el Stanford Linear Accelerator Center , dirigido por Burton Richter , y otro en el Brookhaven National Laboratory , dirigido por Samuel Ting del MIT . Descubrieron que habían encontrado la misma partícula, y ambos anunciaron sus descubrimientos el 11 de noviembre de 1974. La importancia de este descubrimiento [ cita requerida ] se destaca por el hecho de que los cambios rápidos posteriores en la física de alta energía en ese momento se han conocido colectivamente como la " Revolución de noviembre ". Richter y Ting fueron galardonados con el Premio Nobel de Física de 1976 .

Antecedentes del descubrimiento

Los antecedentes del descubrimiento de la
J/ψ
Fue tanto teórico como experimental. En la década de 1960, se propusieron los primeros modelos de quarks de la física de partículas elementales , que decían que los protones , neutrones y todos los demás bariones , y también todos los mesones , están hechos de partículas con carga fraccionaria , los "quarks", que vienen en seis tipos o "sabores", llamados up , down , top , bottom , strange y charm . A pesar de la capacidad de los modelos de quarks para poner orden en el "zoológico de partículas elementales", se los consideraba algo así como una ficción matemática en ese momento, un simple artefacto de razones físicas más profundas. [3]

A partir de 1969, los experimentos de dispersión inelástica profunda en el SLAC revelaron evidencias experimentales sorprendentes de la existencia de partículas dentro de los protones. Al principio no se sabía si se trataba de quarks o de otra cosa. Se necesitaron muchos experimentos para identificar por completo las propiedades de los componentes subprotónicos. En una primera aproximación, efectivamente coincidían con los quarks descritos anteriormente.

En el frente teórico, las teorías de calibración con simetría rota se convirtieron en las primeras contendientes completamente viables para explicar la interacción débil después de que Gerardus 't Hooft descubriera en 1971 cómo calcular con ellas más allá del nivel del árbol . La primera evidencia experimental para estas teorías de unificación electrodébil fue el descubrimiento de la corriente neutra débil en 1973. Las teorías de calibración con quarks se convirtieron en un contendiente viable para la interacción fuerte en 1973, cuando se identificó el concepto de libertad asintótica .

Sin embargo, una mezcla ingenua de teoría electrodébil y el modelo de quarks condujo a cálculos sobre modos de desintegración conocidos que contradecían la observación: en particular, predijo desintegraciones con cambio de sabor mediadas por bosones Z de un quark strange en un quark down, que no se observaron. Una idea de 1970 de Sheldon Glashow , John Iliopoulos y Luciano Maiani , conocida como el mecanismo GIM , mostró que las desintegraciones con cambio de sabor se suprimirían fuertemente si hubiera un cuarto quark (ahora llamado quark charm ) que fuera una contraparte complementaria del quark strange . Para el verano de 1974, este trabajo había conducido a predicciones teóricas de cómo sería un mesón charm + anticharm.

El grupo de Brookhaven , [a] fue el primero en discernir un pico a 3,1 GeV en los gráficos de tasas de producción y denominó a la partícula  mesón ψ . Ting lo denominó "mesón J" en su descubrimiento simultáneo. [4]

Modos de decaimiento

Modos de desintegración hadrónica de
J/ψ
se suprimen fuertemente debido a la regla OZI . Este efecto aumenta fuertemente la vida útil de la partícula y, por lo tanto, le da su ancho de desintegración muy estrecho de solo93,2 ± 2,1 keV . Debido a esta fuerte supresión, las desintegraciones electromagnéticas comienzan a competir con las desintegraciones hadrónicas. Por eso,
J/ψ
tiene una fracción de ramificación significativa hacia los leptones.

Los principales modos de desintegración [5] son:

J/ψfusión

En un medio QCD caliente , cuando la temperatura se eleva mucho más allá de la temperatura de Hagedorn ,
J/ψ
y se espera que sus excitaciones se fundan. [6] Esta es una de las señales predichas de la formación del plasma de quarks y gluones . Los experimentos de iones pesados ​​en el Super Sincrotrón de Protones del CERN y en el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas del BNL han estudiado este fenómeno sin un resultado concluyente hasta 2009. Esto se debe al requisito de que la desaparición de
J/ψ
Los mesones se evalúan con respecto a la línea de base proporcionada por la producción total de todas las partículas subatómicas que contienen quarks encantadores, y porque se espera ampliamente que algunos
J/ψ
se producen y/o destruyen en el momento de la hadronización del QGP . Por lo tanto, existe incertidumbre en cuanto a las condiciones predominantes en las colisiones iniciales.

De hecho, en lugar de supresión, se ha aumentado la producción de
J/ψ
Se espera [7] en experimentos de iones pesados ​​en el LHC donde el mecanismo de producción de quarks combinatorios debería ser dominante dada la gran abundancia de quarks charm en el QGP.
J/ψ
, mesones B encantados (
B
do), ofrecen una firma que indica que los quarks se mueven libremente y se unen a voluntad cuando se combinan para formar hadrones . [8] [9]

Nombre

Debido al descubrimiento casi simultáneo, el
J/ψ
es la única partícula que tiene un nombre de dos letras. Richter la llamó "SP", en honor al acelerador SPEAR utilizado en SLAC ; sin embargo, a ninguno de sus compañeros de trabajo le gustó ese nombre. Después de consultar con el griego Leo Resvanis para ver qué letras griegas todavía estaban disponibles, y rechazar " iota " porque su nombre implica insignificancia, Richter eligió "psi", un nombre que, como señaló Gerson Goldhaber , contiene el nombre original "SP", pero en orden inverso. [10] Casualmente, las imágenes posteriores de la cámara de chispas a menudo se parecían a la forma psi. Ting le asignó el nombre "J", diciendo que las partículas más estables, como los bosones W y Z, tenían nombres romanos, a diferencia de las partículas clásicas, que tenían nombres griegos. También citó el símbolo de la corriente electromagnética en el que se concentró gran parte de su trabajo anterior como una de las razones. [4]

Gran parte de la comunidad científica consideró injusto dar prioridad a uno de los dos descubridores, por lo que la mayoría de las publicaciones posteriores se han referido a la partícula como "
J/ψ
".

El primer estado excitado de la
J/ψ
se llamó ψ′; ahora se llama ψ(2S), lo que indica su estado cuántico. El siguiente estado excitado se llamó ψ″; ahora se llama ψ(3770), lo que indica masa en MeV/ c 2 . Otros estados de encanto-antiencanto vectorial se denotan de manera similar con ψ y el estado cuántico (si se conoce) o la masa. [11] La "J" no se utiliza, ya que el grupo de Richter fue el primero en encontrar estados excitados.

El nombre charmonium se utiliza para el
J/ψ
y otros estados ligados encanto-antiencanto. [b] Esto es por analogía con el positronio , que también consta de una partícula y su antipartícula (un electrón y un positrón en el caso del positronio).

Véase también

Notas al pie

  1. ^ Glenn Everhart, Terry Rhoades, Min Chen y Ulrich Becker, en Brookhaven, fueron los primeros en discernir el pico de 3,1 GeV en las tasas de producción de pares.
  2. ^ Hay dos regímenes diferentes de mesones neutros y sin sabor : de baja masa y de alta masa.
    Los mesones más ligeros, como el pión neutro ( π0, el más ligero de todos los mesones), elη yη′, ρ0, ω0, y así sucesivamente. Ya sea de masa alta o baja, dado que todos los números cuánticos de los mesones sin sabor son cero, solo se pueden distinguir por sus masas. Generalmente, su contenido de quarks es invisible, especialmente los mesones sin sabor de masa baja, no solo porque sus masas pequeñas muy similares se pueden confundir fácilmente, sino también porque las partículas de masa baja en sí mismas existen en realidad como mezclas. Por ejemplo, la masa más baja de todos los mesones es el pión neutro ; es aproximadamente una mezcla igual de pares de quarks-antiquarks coincidentes d d y u u .
    Sin embargo, los quarks pesados ​​c y b son suficientemente distintos en masa como para poder distinguirlos:

Referencias

  1. ^ Kapusta, J.; Müller, B.; Rafelski, J. (9 de diciembre de 2003). Plasma de quark-gluones: fundamentos teóricos: una colección de reimpresiones comentadas. pag. 462.ISBN​ 9780444511102. Recuperado el 25 de septiembre de 2014 – vía Google Books.
  2. ^ "Premio de Física Compartida para partículas elementales" (Nota de prensa). Real Academia Sueca de Ciencias . 18 de octubre de 1976. Consultado el 23 de abril de 2012 .
  3. ^ Pickering, A. (1984). Construcción de quarks . University of Chicago Press . Págs. 114-125. ISBN. 978-0-226-66799-7.
  4. ^ ab Discutimos el nombre de la nueva partícula durante algún tiempo. Alguien me señaló que las partículas estables realmente interesantes se designan con caracteres romanos –como el postulado W 0 , el bosón vectorial intermedio, el Z 0 , etc.– mientras que las partículas “clásicas” tienen designaciones griegas como ρ, ω, etc. Esto, combinado con el hecho de que nuestro trabajo en la última década se había concentrado en la corriente electromagnética, nos dio la idea de llamar a esta partícula la partícula J. Samuel Ting, El descubrimiento de la partícula J Conferencia del premio Nobel, 11 de diciembre de 1976 [1]
  5. ^ Nakamura, K.; et al. ( Particle Data Group ) (2022). "J/ψ(1S)" (PDF) . Particle Data Group . Journal of Physics G . 37 (7A). Lawrence Berkeley Laboratory: 075021. Bibcode :2010JPhG...37g5021N. doi :10.1088/0954-3899/37/7A/075021.
  6. ^ Matsui, T.; Satz, H. (1986). "Supresión de J/ψ por formación de plasma de quarks y gluones". Physics Letters B . 178 (4): 416–422. Bibcode :1986PhLB..178..416M. doi :10.1016/0370-2693(86)91404-8. OSTI  1118865.
  7. ^ Thews, RL; Schroedter, M.; Rafelski, J. (2001). "Producción mejorada de J/ψ en materia de quarks desconfinados". Physical Review C . 63 (5): 054905. arXiv : hep-ph/0007323 . Código Bibliográfico :2001PhRvC..63e4905T. doi :10.1103/PhysRevC.63.054905. S2CID  11932902.
  8. ^ Schroedter, M.; Thews, RL; Rafelski, J. (2000). "Producción de mesones B c en colisiones nucleares ultrarrelativistas". Physical Review C . 62 (2): 024905. arXiv : hep-ph/0004041 . Código Bibliográfico :2000PhRvC..62b4905S. doi :10.1103/PhysRevC.62.024905. S2CID  119008673.
  9. ^ Fulcher, LP; Rafelski, J.; Thews, RL (1999). "Los mesones B c como señal de desconfinamiento". arXiv : hep-ph/9905201 .
  10. ^ Zielinski, L (8 de agosto de 2006). "Folclore de la física". QuarkNet . Consultado el 13 de abril de 2009 .
  11. ^ Roos, M; Wohl, CG; ( Particle Data Group ) (2004). "Esquemas de denominación para hadrones" (PDF) . Consultado el 13 de abril de 2009 .{{cite web}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )

Fuentes