En física de partículas , el quarkonio (de quark y- onium , pl. quarkonia ) es un mesón insípido cuyos constituyentes son un quark pesado y su propio antiquark , lo que lo convierte en una partícula neutra y su propia antipartícula . El nombre "quarkonio" es análogo al positronio , el estado unido de electrón y antielectrón . Las partículas tienen una vida corta debido a la aniquilación de materia-antimateria .
Los quarks ligeros ( arriba , abajo y extraño ) son mucho menos masivos que los quarks más pesados, por lo que los estados físicos realmente observados 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.
Ejemplos de quarkonia son el mesón J/ψ (el estado fundamental del charmonium ,CC) y el
ϒ
mesón ( botonio , bb). Debido a la gran masa del quark top , el toponio ( mesón θ ) no existe, ya que el quark top se desintegra mediante 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.
En la siguiente tabla, una 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 llama
J/ψ
partícula); ψ″ es una segunda excitación, y así sucesivamente. Es decir, los nombres de una misma celda son sinónimos.
Algunos de los estados están previstos, pero no han sido identificados; otros no están confirmados. Los números cuánticos de la partícula X(3872) han sido medidos recientemente mediante el experimento LHCb del CERN. [1] Esta medición arroja algo de luz sobre su identidad, excluyendo la tercera opción entre las tres previstas, que son:
En 2005, el experimento BaBar anunció el descubrimiento de un nuevo estado: Y(4260) . [2] [3] CLEO y Belle han corroborado desde entonces 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 .
Notas:
En la siguiente tabla, una misma partícula se puede nombrar con la notación espectroscópica o con su masa. Algunos de los estados están previstos, pero no han sido identificados; otros no están confirmados.
Notas :
ElϒEl estado (1S) fue descubierto por el equipo experimental E288, encabezado por Leon Lederman , en Fermilab en 1977, y fue la primera partícula que contenía un quark inferior descubierta. 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] En abril de 2012, el experimento DØ 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]
El mesón theta no ha sido ni se espera que sea observado en la naturaleza, ya que los quarks superiores se desintegran demasiado rápido para formar mesones en la naturaleza (y ser detectados).
El cálculo de las propiedades de los mesones en cromodinámica cuántica (QCD) es totalmente no perturbativo . Como resultado, el único método general disponible es un cálculo directo utilizando técnicas de QCD de celosía (LQCD). [ cita necesaria ] Sin embargo, para el quarkonio 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 respectivas quarkonias 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 en Charmonia y aproximadamente 0,1 veces la velocidad de la luz en Bottomonia. El cálculo puede entonces aproximarse mediante una expansión en potencias de y . Esta técnica se llama QCD no relativista (NRQCD).
NRQCD también se ha cuantificado como una teoría de calibre de red , que proporciona otra técnica para utilizar en los cálculos de LQCD. Se ha encontrado una buena concordancia con las masas de Bottomonium, lo que 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 la anchura de los estados de quarkonia y las tasas de transición entre los estados.
Una técnica temprana, pero aún eficaz, utiliza modelos del potencial efectivo para calcular masas de estados de quarkonio. En esta técnica, se utiliza el hecho de que el movimiento de los quarks que componen el estado de quarkonio no es relativista para suponer que se mueven en un potencial estático, muy parecido a los modelos no relativistas del átomo de hidrógeno. Uno de los modelos potenciales más populares es el llamado potencial de Cornell (o embudo ) : [11]
donde es el radio efectivo del estado de quarkonio y son los parámetros.
Este potencial tiene dos partes. La primera parte, , corresponde al potencial inducido por el intercambio de un gluón entre el quark y su antiquark, y se conoce como parte coulómbica del potencial, ya que su forma es idéntica al conocido potencial coulómbico inducido por el fuerza electromagnetica.
La segunda parte, se conoce como la parte de confinamiento del potencial y parametriza los efectos no perturbativos poco comprendidos de la QCD. Generalmente, cuando se utiliza este enfoque, se toma una forma conveniente para la función de onda de los quarks y luego se determinan ajustando los resultados de los cálculos a las masas de los estados de quarkonio bien medidos. Se pueden incorporar efectos relativistas y de otro tipo a este enfoque agregando términos adicionales al potencial, de manera muy similar a lo que se hace con el modelo del átomo de hidrógeno en la mecánica cuántica no relativista.
Esta forma se derivó de QCD hasta Sumino (2003). [12] Es popular porque permite predicciones precisas de los parámetros del quarkonio sin un cálculo de red 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.
Se ha sugerido que las quarkonias son una herramienta de diagnóstico de la formación del plasma de quarks-gluones : puede ocurrir tanto la desaparición como el aumento de su formación dependiendo de la producción de quarks pesados en el plasma.
