El quark charm , quark encantado o quark c es una partícula elemental que se encuentra en partículas subatómicas compuestas llamadas hadrones, como el mesón J/psi y los bariones encantados creados en colisiones de aceleradores de partículas. Varios bosones , incluidos los bosones W y Z y el bosón de Higgs , pueden desintegrarse en quarks charm. Todos los quarks charm tienen charm , un número cuántico . Esta partícula de segunda generación es el tercer quark más masivo , con una masa de1,27 ± 0,02 GeV/ c 2 medido en 2022 y una carga de + 2/3mi .
La existencia del quark charm fue predicha por primera vez por James Bjorken y Sheldon Glashow en 1964, [1] [2] [3] y en 1970, Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maiani demostraron cómo su existencia explicaría las discrepancias experimentales y teóricas. [4] En 1974, su existencia fue confirmada a través de los descubrimientos independientes del mesón J/psi en el Laboratorio Nacional de Brookhaven y el Centro del Acelerador Lineal de Stanford . En los siguientes años, se encontraron varias otras partículas encantadas, incluido el mesón D y los mesones extraños encantados.
En el siglo XXI se ha descubierto un barión que contiene dos quarks charm. Hay evidencias recientes de que existen quarks charm intrínsecos en el protón y se ha estudiado el acoplamiento del quark charm y el bosón de Higgs. Evidencias recientes también indican una violación de CP en la desintegración del mesón D 0 , que contiene el quark charm.
Según Sheldon Glashow , el quark charm recibió su nombre debido a la "simetría que trajo al mundo subnuclear". [5] [6] Glashow también justificó el nombre como "un dispositivo mágico para evitar el mal", porque agregar el quark charm prohibiría desintegraciones no deseadas e invisibles en la teoría de los tres quarks en ese momento. [5] El quark charm también se llama "quark encantado" tanto en contextos académicos como no académicos. [7] [8] [9] El símbolo del quark charm es "c". [10]
En 1961, Murray Gell-Mann introdujo el Camino Óctuple como un patrón para agrupar bariones y mesones . [11] En 1964, Gell-Mann y George Zweig propusieron independientemente que todos los hadrones están compuestos de constituyentes elementales, a los que Gell-Mann llamó "quarks". [12] Inicialmente, solo se propusieron el quark up , el quark down y el quark strange . [13] Estos quarks producirían todas las partículas del Camino Óctuple. [14] Gell-Mann y Kazuhiko Nishijima habían establecido la extrañeza , un número cuántico, en 1953 para describir procesos que involucraban partículas extrañas comoΣy O. [15]
En 1964, James Bjorken y Sheldon Glashow teorizaron que el "encanto" era un nuevo número cuántico. [16] En ese momento, se conocían cuatro leptones —el electrón , el muón y cada uno de sus neutrinos— , pero Gell-Mann inicialmente propuso solo tres quarks. [6] Bjorken y Glashow esperaban así establecer paralelismos entre los leptones y los quarks con su teoría. [17] Según Glashow, la conjetura surgió de "argumentos estéticos". [5]
En 1970, Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maiani propusieron un nuevo quark que se diferenciaba de los tres quarks conocidos hasta entonces por el número cuántico de encanto . [4] [18] Además, predijeron la existencia de "partículas encantadas" y ofrecieron sugerencias sobre cómo producirlas experimentalmente. [19] También sugirieron que el quark encantado podría proporcionar un mecanismo (el mecanismo GIM ) para facilitar la unificación de las fuerzas débil y electromagnética . [20]
En la Conferencia sobre Espectroscopia Experimental de Mesones (EMS) en abril de 1974, Glashow presentó su artículo titulado "Charm: An Invention Awaits Discovery" (El encanto: una invención aguarda ser descubierta). Glashow afirmó que, como era probable que existieran corrientes neutras , era "muy necesario" un cuarto quark para explicar la rareza de las desintegraciones de ciertos kaones . [21] También hizo varias predicciones sobre las propiedades de los quarks charm. [22] Apostó que, para la siguiente conferencia sobre EMS en 1976:
Sólo hay tres posibilidades:
- No encuentro encanto y me como mi sombrero.
- Los espectroscopistas de hadrones han descubierto el encanto y lo celebramos.
- El encanto lo encuentran los forasteros, [a] y os coméis vuestros sombreros. [22]
En julio de 1974, en la 17ª Conferencia Internacional sobre Física de Altas Energías (ICHEP), Iliopoulos dijo:
Ya he ganado varias botellas de vino apostando por las corrientes neutrales y estoy dispuesto a apostar ahora todo un caso a que si las sesiones de interacción débil de esta Conferencia estuvieron dominadas por el descubrimiento de las corrientes neutrales, toda la próxima Conferencia estará dominada por el descubrimiento de las partículas encantadas. [24]
Aplicando un argumento de naturalidad a la división de masas del kaón entre K0
litrosy K0
SSegún los estados, la masa del quark charm fue estimada por Mary K. Gaillard y Benjamin W. Lee en 1974 en menos de5 GeV/ c 2 . [25] [26]
Glashow predijo que el quark down de un protón podría absorber unYo+y convertirse en un quark encantado. Luego, el protón se transformaría en un barión encantado antes de desintegrarse en varias partículas, incluido un barión lambda . A fines de mayo de 1974, Robert Palmer y Nicholas P. Samios encontraron un evento que generaba un barión lambda desde su cámara de burbujas en el Laboratorio Nacional de Brookhaven . [27] Palmer tardó meses en convencerse de que el barión lambda provenía de una partícula encantada. [28] Cuando el imán de la cámara de burbujas falló en octubre de 1974, no encontraron el mismo evento. [21] Los dos científicos publicaron sus observaciones a principios de 1975. [29] [30] Michael Riordan comentó que este evento era "ambiguo" y "evidencia alentadora pero no convincente". [31]
En 1974, Samuel CC Ting estaba buscando partículas encantadas en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (BNL). [32] Su equipo estaba usando un detector de pares de electrones. [33] A fines de agosto, encontraron un pico en3,1 GeV/ c 2 y el ancho de la señal era menor que5 MeV . [34] El equipo finalmente se convenció de que habían observado una partícula masiva y la llamaron "J". Ting consideró anunciar su descubrimiento en octubre de 1974, pero pospuso el anuncio debido a su preocupación por la relación μ/π. [35]
En el Centro del Acelerador Lineal de Stanford (SLAC), el equipo de Burton Richter realizó experimentos el 9 y 10 de noviembre de 1974. También encontraron una alta probabilidad de interacción en3,1 GeV/ c 2 . Llamaron a la partícula "psi". [36] El 11 de noviembre de 1974, Richter se reunió con Ting en el SLAC, [37] y anunciaron su descubrimiento. [38]
Los teóricos comenzaron inmediatamente a analizar la nueva partícula. [39] Se demostró que tenía una vida útil en la escala de 10 −20 segundos, lo que sugiere características especiales. [36] [40] Thomas Appelquist y David Politzer sugirieron que la partícula estaba compuesta de un quark charm y un antiquark charm cuyos espines estaban alineados en paralelo. Los dos llamaron a esta configuración "charmonium". [39] El charmonium tendría dos formas: "ortocharmonium", donde los espines de los dos quarks son paralelos, y "paracharmonium", donde los espines se alinean de manera opuesta. [41] Murray Gell-Mann también creía en la idea del charmonium. [42] Algunos otros teóricos, como Richard Feynman , inicialmente pensaron que la nueva partícula consistía en un quark up con un antiquark charm. [39]
El 15 de noviembre de 1974, Ting y Richter emitieron un comunicado de prensa sobre su descubrimiento. [43] El 21 de noviembre en el SLAC, SPEAR encontró una resonancia de la partícula J/psi en3,7 GeV/ c 2 como habían predicho Martin Breidenbach y Terence Goldman. [43] Esta partícula se denominó ψ′ ("psi-prima"). [44] A finales de noviembre, Appelquist y Politzer publicaron su artículo en el que teorizaban sobre el charmonium. Glashow y Alvaro De Rujula también publicaron un artículo titulado "¿Se ha encontrado el encanto ligado?", en el que utilizaron el quark charm y la libertad asintótica para explicar las propiedades del mesón J/psi. [45]
Finalmente, el 2 de diciembre de 1974, Physical Review Letters (PRL) publicó los artículos de descubrimiento de J y psi, de Ting [46] y Richter [47] respectivamente. [45] El descubrimiento de la psi prima se publicó la semana siguiente. [45] Luego, el 6 de enero de 1975, PRL publicó nueve artículos teóricos sobre la partícula J/psi; según Michael Riordan, cinco de ellos "promovían la hipótesis del encanto y sus variaciones". [30] En 1976, Ting y Richter compartieron el Premio Nobel de Física por su descubrimiento "de una partícula elemental pesada del nuevo tipo". [48]
En agosto de 1976, en The New York Times , Glashow recordó su apuesta y comentó: "El vino de John [Iliopoulos] y mi sombrero se habían salvado en el último momento". [5] En la siguiente conferencia de EMS, los espectroscopistas comieron sombreros de caramelo mexicanos proporcionados por los organizadores. [49] [50] Frank Close escribió un artículo en Nature titulado "Iliopoulos ganó su apuesta" en el mismo año, diciendo que el 18º ICHEP estaba "de hecho dominado por ese mismo descubrimiento". [20] Nadie pagó sus apuestas a Iliopoulos. [51] [38]
En abril de 1975, EG Cazzoli et al., incluidos Palmer y Samios, publicaron su evidencia ambigua anterior sobre el barión encantado. [29] En el momento del Simposio Lepton-Photon en agosto de 1975, se habían descubierto ocho nuevas partículas pesadas. [52] Estas partículas, sin embargo, tienen un encanto total cero. [53] A partir del cuarto trimestre de ese año, los físicos comenzaron a buscar partículas con un encanto neto o "desnudo". [54]
El 3 de mayo de 1976 en SLAC, Gerson Goldhaber y François Pierre identificaron un1,87 GeV/ c 2 pico, lo que sugería la presencia de un mesón D encantado neutro según la predicción de Glashow. El 5 de mayo, Goldhaber y Pierre publicaron un memorando conjunto sobre su descubrimiento del "encanto desnudo". [55] En el momento de la 18ª Conferencia Internacional sobre Física de Altas Energías, se habían descubierto más partículas encantadas. Riordan dijo que "la evidencia sólida del encanto surgió sesión tras sesión" en la conferencia, confirmando la existencia del quark encanto. [56] [57] El mesón extraño encantado fue descubierto en 1977. [58] [59]
En 2002, la Colaboración SELEX en Fermilab publicó la primera observación del barión doblemente encantado.
O+
cc("double charmed xi+") . [60] Es una partícula de tres quarks que contiene dos quarks charm. El equipo descubrió que los bariones doblemente encantados con un quark up son más masivos y tienen una tasa de producción más alta que aquellos con un quark down. [61]
En 2007, las colaboraciones BaBar y Belle informaron cada una evidencia de la mezcla de dos mesones encantados neutrales,
D0
y
D0
. [62] [63] [64] La evidencia confirmó que la tasa de mezcla es pequeña, como lo predice el modelo estándar . [65] Ninguno de los estudios encontró evidencia de violación de CP entre las desintegraciones de las dos partículas encantadas. [62] [63]
En 2022, la Colaboración NNPDF encontró evidencia de la existencia de quarks encanto intrínsecos en el protón. [66] [67] En el mismo año, los físicos también llevaron a cabo una búsqueda directa de desintegraciones del bosón de Higgs en quarks encanto utilizando el detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones . [68] Han determinado que el acoplamiento Higgs-encanto es más débil que el acoplamiento Higgs-fondo. [69] El 7 de julio de 2022, el experimento LHCb anunció que habían encontrado evidencia de violación directa de CP en la desintegración del mesón D 0 en piones . [70]
El quark charm es un quark up de segunda generación . [7] [64] Lleva encanto, un número cuántico . [71] Según la Revisión de Física de Partículas de 2022 , el quark encantado tiene una masa de1,27 ± 0,02 GeV/ c 2 , [b] una carga de + 2/3 e , y un encanto de +1. [10] El quark encanto es más masivo que el quark extraño: la relación entre las masas de los dos es aproximadamente11,76+0,05
−0,10. [10]
La matriz CKM describe la interacción débil de los quarks. [73] A partir de 2022, los valores de la matriz CKM relacionados con el quark charm son: [74]
Los quarks charm pueden existir en "partículas charm abiertas", que contienen uno o varios quarks charm, o como estados charmonium, que son estados ligados de un quark charm y un antiquark charm. [64] Hay varios mesones charm, incluidos
D±
y
D0
. [75] Los bariones encantados incluyenOdo,Σdo,Odo,
Ohmio
do, con diversas cargas y resonancias . [76]
Las partículas que contienen quarks charm se pueden producir mediante colisiones electrón-positrón o en colisiones hadrónicas. [77] Usando diferentes energías, los colisionadores electrón-positrón pueden producir mesones psi o upsilon . [78] Los colisionadores de hadrones producen partículas que contienen quarks charm en una sección transversal más alta . [c] [81] El bosón W también puede decaer en hadrones que contienen el quark charm o el antiquark charm. [82] El bosón Z puede decaer en charmonium a través de la fragmentación del quark charm. [83] El bosón de Higgs también puede decaer en
J/ψ
o
η
doa través del mismo mecanismo. La tasa de desintegración del bosón de Higgs en charmonium está "gobernada por el acoplamiento de Yukawa entre el quark charm" [84] .
El quark charm puede decaer en otros quarks mediante desintegraciones débiles. [64] El quark charm también se aniquila con el antiquark charm durante las desintegraciones de los mesones charmonium en estado fundamental. [64]
