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 consta de un quark charm y un antiquark charm . Los mesones formados por un estado unido de un quark charm y un antiquark charm se conocen generalmente como " charmonium " o psions. [1] El
J/ψ
Es la forma más común de charmonium, debido a su espín de 1 y su baja masa en reposo . El
J/ψ
tiene una masa en reposo de3,0969 GeV/ c 2 , justo por encima del del
η
C(2,9836 GeV/ c 2 ), y una vida útil media de7,2 × 10 −21 s . Esta vida fue aproximadamente mil veces más larga de lo esperado. [2]
Su descubrimiento fue realizado de forma independiente por dos grupos de investigación, uno en el Centro del Acelerador Lineal de Stanford , encabezado por Burton Richter , y otro en el Laboratorio Nacional Brookhaven , encabezado 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 necesaria ] se destaca por el hecho de que los rápidos y posteriores cambios en la física de altas energías de la época se han convertido en conocida colectivamente como la " Revolución de Noviembre ". Richter y Ting recibieron el Premio Nobel de Física en 1976 .
Los antecedentes del descubrimiento de la
J/ψ
Fue a la vez teórico y experimental. En la década de 1960 se propusieron los primeros modelos de quarks de la física de partículas elementales , que decían que los protones , los neutrones y todos los demás bariones , así como todos los mesones , están formados por partículas con carga fraccionada , los "quarks", que se presentan en seis tipos o "sabores", llamados arriba , abajo , arriba , abajo , extraño y encantador . A pesar de la capacidad de los modelos de quarks para poner orden en el "zoológico de partículas elementales", en ese momento se los consideraba algo así como una ficción matemática, un simple artefacto de razones físicas más profundas. [3]
A partir de 1969, experimentos de dispersión inelástica profunda en SLAC revelaron evidencia experimental sorprendente de partículas dentro de protones. Al principio no se supo si se trataba de quarks o de algo más. Se necesitaron muchos experimentos para identificar completamente las propiedades de los componentes subprotónicos. En una primera aproximación, efectivamente coincidían con los quarks descritos anteriormente.
En el frente teórico, las teorías de calibre con simetría rota se convirtieron en los primeros candidatos 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 de estas teorías de unificación electrodébil fue el descubrimiento de la corriente neutra débil en 1973. Las teorías de calibre con quarks se convirtieron en un candidato viable para la interacción fuerte en 1973, cuando se identificó el concepto de libertad asintótica .
Sin embargo, una ingenua mezcla de teoría electrodébil y el modelo de quarks llevó a cálculos sobre modos de desintegración conocidos que contradecían la observación: en particular, predijo desintegraciones con cambio de sabor mediadas por el bosón Z de un quark extraño en un quark down, que no fueron observadas. Una idea de 1970 de Sheldon Glashow , John Iliopoulos y Luciano Maiani , conocida como mecanismo GIM , demostró que las desintegraciones que cambian el sabor serían fuertemente suprimidas si hubiera un cuarto quark (ahora llamado quark charm ) que fuera una contraparte complementaria del El extraño quark . En el verano de 1974, este trabajo había conducido a predicciones teóricas de cómo sería un mesón charm + anticharm.
Las predicciones fueron ignoradas. [ cita necesaria ] El trabajo de Richter y Ting se realizó principalmente para explorar nuevos regímenes energéticos, no para probar las predicciones teóricas. [ cita necesaria ]
El grupo de Brookhaven , [a] fue el primero en discernir un pico de 3,1 GeV en gráficos de tasas de producción, reconociendo primero el mesón ψ , que Ting nombró mesón "J" (en honor a él mismo; su apellido escrito en chino es丁– o tal vez no después de sí mismo [4] ).
Modos de desintegración hadrónica de
J/ψ
están fuertemente suprimidos debido a la regla OZI . Este efecto aumenta considerablemente la vida útil de la partícula y, por lo tanto, le confiere un ancho de desintegración muy estrecho de apenas93,2 ± 2,1 keV . Debido a esta fuerte supresión, las desintegraciones electromagnéticas comienzan a competir con las desintegraciones hadrónicas. Esta es la razón por la que
J/ψ
Tiene una fracción de ramificación significativa para los leptones.
Los modos de caída principales [5] son:
En un medio QCD caliente , cuando la temperatura se eleva mucho más allá de la temperatura de Hagedorn , la
J/ψ
y se espera que sus excitaciones se derritan. [6] Esta es una de las señales predichas de la formación del plasma de quarks-gluones . Los experimentos con iones pesados en el Súper Sincrotrón de Protones del CERN y en el Colisionador Relativista de Iones Pesados del BNL han estudiado este fenómeno sin obtener resultados concluyentes hasta 2009. Esto se debe a la necesidad de que la desaparición de
J/ψ
mesones se evalúa con respecto a la línea de base proporcionada por la producción total de todas las partículas subatómicas que contienen quarks charm, y porque se espera ampliamente que algunos
J/ψ
se producen y/o destruyen en el momento de la hadronización QGP . Por tanto, existe incertidumbre en las condiciones predominantes en las colisiones iniciales.
De hecho, en lugar de supresión, una mayor producción de
J/ψ
se espera [7] en experimentos con iones pesados en el LHC , donde el mecanismo de producción de quarks-combinantes debería ser dominante dada la gran abundancia de quarks charm en el QGP. aparte de
J/ψ
, mesones B encantados (
B
C), ofrecen una firma que indica que los quarks se mueven libremente y se unen a voluntad cuando se combinan para formar hadrones . [8] [9]
Debido al descubrimiento casi simultáneo, el
J/ψ
es la única partícula que tiene un nombre de dos letras. Richter lo 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 Leo Resvanis , nacido en Grecia, para ver qué letras griegas aún 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", que está a una letra de " K ", nombre del ya conocido mesón extraño; Otra razón es que "j" es el símbolo de la corriente electromagnética. [4] Posiblemente por coincidencia, "J" se parece mucho al carácter chino del nombre de Ting (丁Dīng ). J es también la primera letra del nombre de la hija mayor de Ting, Jeanne.
Gran parte de la comunidad científica consideró injusto dar prioridad a uno de los dos descubridores, por lo que la mayoría de publicaciones posteriores se han referido a la partícula como la "
J/ψ
".
El primer estado excitado del
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 vectoriales de encanto-antiencanto 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 vinculados al encanto y al 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).
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