Los bariones encantados son una categoría de partículas compuestas que comprenden todos los bariones formados por al menos un quark charm . Desde su primera observación en la década de 1970, se ha identificado un gran número de distintos estados bariónicos encantados. Los bariones encantados observados tienen masas que oscilan entre2300 y2700 MeV / c2 . En 2002, la colaboración SELEX , con sede en Fermilab, publicó evidencia de un barión doblemente encantado (Ξcc), que contiene dos quarks charm) con una masa de ~3520 MeV/ c 2 , pero aún no ha sido confirmado por otros experimentos. Un barión triplemente encantado (Ωccc) ha sido predicho pero aún no observado.
La nomenclatura de los bariones encantados se basa tanto en el contenido de quarks como en el isospin . La denominación sigue las reglas establecidas por el Particle Data Group .
El cargo se indica con superíndices. El contenido de quarks pesados ( quarks inferiores , encantadores o superiores ) se indica mediante subíndices. Por ejemplo, un
Ξ+
cbestá hecho de un fondo, un quark encantado, y se puede deducir de la carga del encanto (+2/3e ) y quark inferior (-1/3e) que el otro quark debe ser un quark up (+2/3mi). A veces se utilizan asteriscos o números primos para indicar una resonancia .
Los parámetros importantes de los bariones encantados que se van a estudiar constan de cuatro propiedades. Son en primer lugar la masa, en segundo lugar la vida útil para aquellas con una vida útil mensurable, en tercer lugar el ancho intrínseco (aquellas partículas que tienen una vida útil demasiado corta para medir tienen un "ancho" mensurable o dispersión en masa debido al principio de incertidumbre de Heisenberg ), y por último sus modos de desintegración. Se pueden encontrar compilaciones de mediciones de estos en las publicaciones del Particle Data Group.
Los bariones encantados se forman en colisiones de partículas de alta energía, como las producidas por los aceleradores de partículas . El método general para encontrarlos es detectar sus productos de desintegración, identificar qué partículas son y medir sus momentos . Si todos los productos de desintegración se encuentran y miden correctamente, entonces se puede calcular la masa de la partícula original. Como ejemplo, una decadencia favorecida del
Λ+
cestá en un protón , un kaón y un pión . El detector mide los momentos de estas partículas (bastante estables) y, utilizando las reglas habituales del momento de cuatro y utilizando las ecuaciones relativistas correctas, esto da una medida de la masa de la partícula original.
En las colisiones de partículas, los protones, kaones y piones se producen con bastante frecuencia, y sólo una fracción de estas combinaciones procederá de un barión encantado. Por tanto, es importante medir muchas de estas combinaciones. Una gráfica de la masa original calculada tendrá entonces un pico en la masa del
Λ+
c, pero esto se suma a un fondo suave de " espacio de fase ". El ancho del pico se regirá por la resolución del detector, siempre que el barión encantado sea razonablemente estable (como el
Λ+
cque tiene una vida útil de alrededor(2 ± 10) × 10 −13 s ). Otros estados superiores de bariones encantados, que decaen por la interacción fuerte , suelen tener grandes anchos intrínsecos. Esto hace que el pico se destaque menos claramente sobre las combinaciones de fondo. Las primeras observaciones de partículas mediante este método son notoriamente difíciles: una interpretación demasiado entusiasta de las fluctuaciones estadísticas o efectos que producen "picos" falsos significa que varios resultados publicados resultaron ser falsos. Sin embargo, con más datos recopilados mediante más experimentos a lo largo de los años, la espectroscopia de los estados de los bariones encantados ha alcanzado ahora un nivel maduro.
El primer barión encantado que se descubrió fue el
Λ+
c. No está del todo claro cuándo se observó la partícula por primera vez; Hubo una serie de experimentos que publicaron evidencia del estado a partir de 1975, pero las masas informadas fueron frecuentemente inferiores al valor ahora conocido. Desde entonces,
Λ+
cSe han producido y estudiado en muchos experimentos, en particular experimentos con objetivos fijos (como FOCUS y SELEX) y
mi−
mi+
Fábricas B ( ARGUS , CLEO , BABAR y BELLE ).
La medición de masa definitiva se realizó mediante el experimento BaBar, que informó una masa de2 286 ,46 MeV/ c 2 con una pequeña incertidumbre. Para poner esto en contexto, pesa más del doble que un protón . El exceso de masa se explica fácilmente por la gran masa constituyente del quark charm, que por sí sola es mayor que la del protón.
La vida útil del
Λ+
cse mide en casi exactamente 0,2 picosegundos. Esta es una vida útil típica para partículas que se desintegran mediante interacción débil , teniendo en cuenta el gran espacio de fase disponible. La medición de la vida útil cuenta con contribuciones de varios experimentos, en particular FOCUS, SELEX y CLEO.
El
Λ+
cdecae en una multitud de estados finales diferentes, de acuerdo con las reglas de desintegraciones débiles. La desintegración en protón, kaón y pión (cada uno de ellos cargado) es una de las favoritas de los experimentadores, ya que es particularmente fácil de detectar. Representa alrededor del 5% de todas las desintegraciones; Se han medido alrededor de 30 modos de desintegración distintos. Los estudios de estas relaciones de ramificación permiten a los teóricos desenredar los diversos diagramas fundamentales que contribuyen a las desintegraciones y son una ventana a la física de interacciones débiles.
El modelo de quarks , junto con la mecánica cuántica, predice que debería haber excitaciones orbitales de
Λ+
cpartículas. Los estados más bajos son aquellos en los que los dos quarks ligeros (arriba y abajo) se combinan en un estado de giro 0, se agrega una unidad de momento angular orbital y esto se combina con el giro intrínseco del quark charm para formar un1/2,3/2par de partículas. El mayor de estos (el
Λ+
c(2625)) fue descubierto en 1993 por ARGUS. Al principio no estaba claro qué estado se había descubierto, pero el posterior descubrimiento del estado inferior (2593) por CLEO aclaró la situación. Los modos de desintegración, las masas, los anchos medidos y las desintegraciones a través de dos piones cargados en lugar de uno cargado y uno neutro, confirman la identificación de los estados.
Como se señaló anteriormente, las partículas Sigma encantadas, como
Λ+
cpartículas, comprenden un quark encantador y dos quarks luminosos ( arriba , abajo y extraño ). Sin embargo,
Σ
Clas partículas tienen isospin 1. Esto equivale a decir que pueden existir en tres estados cargados, el doblemente cargado, el monocargado y el neutro. La situación es directamente análoga a la extraña nomenclatura bariónica. Los bariones en estado fundamental (es decir, sin momento angular orbital ) también se pueden representar así. Cada quark es una partícula de 1/2 espín. Los giros pueden apuntar hacia arriba o hacia abajo. En
Λ+
cEn el estado fundamental, los dos quarks ligeros apuntan hacia arriba y hacia abajo para dar un diquark de espín cero . Esto luego se combina con el quark charm para dar un espín de 1/2 partícula. En el
Σ
C, los dos quarks ligeros se combinan para dar un diquark de espín 1, que luego se combina con el quark charm para dar una partícula de espín 1/2 o una partícula de espín 3/2 (normalmente conocida como partícula de espín 1/2).
Σ∗
c). Son las reglas de la mecánica cuántica las que hacen posible que una
Λ
Cexistir sólo con tres quarks diferentes (es decir, quarks cud), mientras que el
Σ
Cpuede existir como cuu, cud o cdd (de ahí las tres cargas diferentes).
Todo
Σ
Clas partículas se desintegran por la fuerza fuerte . Normalmente, esto significa la emisión de un pión a medida que se desintegra hasta alcanzar el estado comparativamente estable.
Λ+
c. Por lo tanto, sus masas no suelen medirse directamente, sino en términos de sus diferencias de masa, m(
Σ
C)-m(
Λ+
c). Esto es experimentalmente más fácil de medir con precisión y teóricamente más fácil de predecir que el valor absoluto de la masa.
La masa más baja
Σ
CEl Particle Data Group le dio el nombre "2455", utilizando su convención de que las partículas en fuerte descomposición se conocen por un valor aproximado de su masa. Fue buscado desde los primeros días de los estudios de bariones encantados. Los experimentos mencionaron varias veces los eventos individuales en las cámaras de burbujas como evidencia de las partículas, pero no está claro cómo un evento de este tipo puede usarse como evidencia de una resonancia. Ya en 1979, había pruebas razonables de que el Estado estaba doblemente acusado de la colaboración entre Columbia y Brookhaven. En 1987-89, una serie de experimentos (E-400 en Fermilab, ARGUS y CLEO ) con estadísticas mucho más amplias, encontraron evidencia clara tanto para el estado doblemente cargado como para el estado neutral (aunque el estado neutral del E-400 resultó ser un estado falso). señal). Quedó claro que la diferencia de masa m (
Σ
C) - metro (
Λ+
c) esta alrededor168 MeV / c2 . El estado de carga única fue más difícil de detectar, no porque sea más difícil de producir, sino simplemente porque su desintegración a través de un pión neutro tiene más fondo y una resolución inferior cuando lo detecta la mayoría de los detectores de partículas. No fue encontrado (a excepción del informe de un solo evento), hasta 1993 por CLEO.
El ancho intrínseco de la
Σ
Ces pequeño según el estándar de la mayoría de las desintegraciones fuertes, pero ahora se ha medido, al menos para los estados neutrales y de doble carga, en aproximadamente2 MeV/ c 2 por los detectores CLEO y FOCUS.
El siguiente estado en masa es el giro.3/2estado, generalmente conocido como el
Σ∗
co el
Σ
C(2520). Estos claramente van a ser "más anchos" debido al espacio de fase adicional de su desintegración, que al igual que el
Σ
C(2455) es un pion más un estado fundamental
Λ
C. Una vez más, se necesitan grandes estadísticas para reclamar una señal por encima del gran número de
Λ
C-
π
pares que se producen. Una vez más, los estados neutro y de doble carga son experimentalmente más fáciles de detectar, y fueron descubiertos en 1997 por la Colaboración CLEO. El Estado acusado individualmente tuvo que esperar hasta 2001 cuando recopiló más datos.
En el modelo estándar de quarks,
Ξ+
ccomprende una combinación de quarks csu y el
Ξ0c
comprende una combinación de quarks csd. Ambas partículas se desintegran mediante la interacción débil. La primera observación del
Ξ+
cFue en 1983 por la colaboración WA62 trabajando en el CERN . Encontraron un pico significativo en el modo de descomposición.
Λ
k−
π+
π+
en una masa de2460 ± 25 MeV/ c 2 . El valor actual de la masa se toma de un promedio de 6 experimentos y es2 467,9 ± 0,4 MeV/ c 2 .
El
Ξ0c
fue descubierto en 1989 por el CLEO, quien midió un pico en el modo de desintegración de
Ξ−
π+
con una masa de2471 ± 5 MeV/ c 2 . El valor aceptado es2 471,0 ± 0,4 MeV/ c 2 .
No es de extrañar que de los cuatro bariones en débil decadencia y individualmente encantados, el
Ω
C(la combinación de quarks CSS), fue el último en ser descubierto y el peor medido. Su historia es turbia. Algunos autores afirman que en 1985 un grupo de tres eventos observados en el CERN era una señal, pero ahora esto puede descartarse debido a su masa incorrecta. El experimento ARGUS publicó un pequeño pico como posible señal en 1993, pero ahora puede excluirse por motivos de sección transversal, ya que muchos experimentos han operado en el mismo entorno que ARGUS con muchas más colisiones. El experimento E-687 en Fermilab publicó dos artículos, uno en 1993 y el otro en 1994. El primero mostró un pequeño pico de importancia marginal en el modo de desintegración.
Ω
π
, y una señal más grande y aparentemente robusta en el modo de caída
Σ+
k−
k−
π+
. Esta última observación es considerada válida por el Particle Data Group, pero parece cada vez más extraña porque este modo de desintegración no ha sido observado en otros experimentos. Luego, el experimento CLEO mostró un pico de 40 eventos en la suma de una variedad de modos de desintegración y una masa de2 494,6 MeV/ c 2 . Desde entonces, dos experimentos, BaBar y Belle , han tomado una gran cantidad de datos y han mostrado señales muy fuertes con una masa muy similar al valor CLEO. Sin embargo, tampoco se han hecho los estudios necesarios para poder cotizar una masa con incertidumbre. Por tanto, aunque no hay duda de que la partícula ha sido descubierta, no existe una medida definitiva de su masa.