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 descomponerse en quarks charm. Todos los quarks charm llevan charm , un número cuántico . Esta 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 +2/3 mi .
En 1964, James Bjorken y Sheldon Glashow teorizaron sobre el quark charm, y en 1970, Glashow, John Iliopoulos , también teorizaron por otros. [1] [2] [3] En 1974, se descubrió por separado a través del mesón J/psi en el Laboratorio Nacional Brookhaven y el Centro del Acelerador Lineal de Stanford . En los años siguientes, se encontraron varias partículas encantadas, incluido el mesón D y los mesones extraños encantados.
En el siglo XXI se ha encontrado un barión que contiene dos quarks encantados. Existe evidencia reciente de que existen quarks charm intrínsecos en el protón , y se ha estudiado el acoplamiento del quark charm y el bosón de Higgs. La evidencia reciente también indica 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 aportó al mundo subnuclear". [4] [5] 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. [4] El quark charm también se denomina "quark encantado" tanto en contextos académicos como no académicos. [6] [7] [8] El símbolo del quark charm es "c". [9]
En 1961, Murray Gell-Mann introdujo la Vía Óctuple como patrón para agrupar bariones y mesones . [10] En 1964, Gell-Mann y George Zweig propusieron de forma independiente que todos los hadrones están compuestos de constituyentes elementales, que Gell-Mann llamó "quarks". [11] Inicialmente, sólo el quark up , el quark down y el quark extraño . fueron propuestos. [12] Estos quarks producirían todas las partículas en la Vía Óctuple. [13] Gell-Mann y Kazuhiko Nishijima establecieron la extrañeza , un número cuántico, en 1953 para describir procesos que involucran partículas extrañas comoΣy Λ. [14]
En 1964, James Bjorken y Sheldon Glashow teorizaron el "encanto" como un nuevo número cuántico. [15] En ese momento, se conocían cuatro leptones : el electrón , el muón y cada uno de sus neutrinos , pero Gell-Mann inicialmente propuso sólo tres quarks. [5] Bjorken y Glashow esperaban establecer con su teoría paralelismos entre los leptones y los quarks. [16] Según Glashow, la conjetura provino de "argumentos estéticos". [4]
En 1970, Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maiani propusieron un nuevo quark que se diferenciaba de los tres quarks entonces conocidos por el encantador número cuántico . [17] [18] Predijeron además 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 débiles y electromagnéticas . [20]
En la Conferencia sobre Espectroscopía de Mesones Experimental (EMS) en abril de 1974, Glashow pronunció su artículo titulado "Encanto: una invención espera descubrimiento". Glashow afirmó que debido a que era probable que existieran corrientes neutrales , un cuarto quark era "muy necesario" para explicar la rareza de las desintegraciones de ciertos kaones . [21] También hizo varias predicciones sobre las propiedades de los quarks charm. [22] Apostó, en la próxima conferencia de EMS en 1976:
Sólo hay tres posibilidades:
- No se encuentra el amuleto y me como mi sombrero.
- Los espectroscopios de hadrones encuentran el encanto y lo celebramos.
- El encanto lo encuentran los forasteros, [a] y te comes tus 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 neutras 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 neutras, toda la próxima Conferencia estará dominada. por el descubrimiento de las partículas encantadas. [24]
Aplicando el principio de naturalidad a la masa de kaon dividiéndose entre los K0
litrosy k0S
_En 1974, Mary K. Gaillard y Benjamin W. Lee estimaron que la masa del quark charm era menor que5 GeV / c2 . [25] [26]
Glashow predijo que el quark down de un protón podría absorber unaW.+y convertirse en un quark encantador. Luego, el protón se transformaría en un barión encantado antes de desintegrarse en varias partículas, incluido un barión lambda . A finales de mayo de 1974, Robert Palmer y Nicholas P. Samios encontraron un evento que generaba un barión lambda en su cámara de burbujas en el Laboratorio Nacional Brookhaven . [27] Palmer tardó meses en convencerse de que el barión lambda procedía de una partícula encantada. [28] El imán de la cámara de burbujas falló en octubre de 1974 y no se encontraron con el mismo evento. [21] Los dos científicos publicaron sus observaciones a principios de 1975. [29] [30] Michael Riordan comentó que este evento fue "ambiguo" y "evidencia alentadora pero no convincente". [31]
En 1974, Samuel CC Ting buscaba partículas encantadas en el Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL). [32] Su equipo estaba utilizando un detector de pares de electrones. [33] A finales de agosto, encontraron un pico en3,1 GeV/ c 2 y el ancho de la señal era inferior a5MeV . [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 los días 9 y 10 de noviembre de 1974. También encontraron una alta probabilidad de interacción en3,1 GeV/ c2 . 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 inmediatamente comenzaron a analizar la nueva partícula. [39] Se demostró que tiene una vida útil en la escala de 10 a 20 segundos, lo que sugiere características especiales. [36] [40] Thomas Appelquist y David Politzer sugirieron que la partícula estaba compuesta por un quark charm y un antiquark charm con sus espines alineados en paralelo. Los dos llamaron a esta configuración "carmonio". [39] 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 encantador. [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 llamó ψ′ ("psi-prime"). [44] A finales de noviembre, Appelquist y Politzer publicaron su artículo teorizando el charmonium. Glashow y Alvaro De Rujula también publicaron un artículo titulado "¿Se encuentra Bound Charm?", 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 sobre el descubrimiento de J y psi, por Ting [46] y Richter [47] respectivamente. [45] El descubrimiento del psi-prime 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 "promoveron 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 de un 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". [4] En la siguiente conferencia de EMS, los espectroscopistas comieron gorros 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 estuvo "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 sus pruebas ambiguas anteriores sobre el barión encantado. [29] En el momento del Simposio Leptón-Fotón en agosto de 1975, se habían descubierto ocho nuevas partículas pesadas. [52] Estas partículas, sin embargo, no tienen ningún encanto total. [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 unPico de 1,87 GeV/ c 2 , lo que sugirió la presencia de un mesón D neutro encantado 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 "evidencias sólidas del encanto surgieron sesión tras sesión" en la conferencia, confirmando la existencia del quark encanto. [56] [57] El extraño mesón encantado fue descubierto en 1977. [58] [59]
En 2002, la colaboración SELEX en Fermilab publicó la primera observación del barión doblemente encantado.
Ξ+
cc("doble encantada 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 de BaBar y Belle informaron evidencia de la mezcla de dos mesones neutrales encantados,
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 charm 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 charm utilizando el detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones . [68] Han determinado que el acoplamiento Higgs-charm es más débil que el acoplamiento Higgs-bottom. [69] El 7 de julio de 2022, el experimento LHCb anunció que había encontrado evidencia de violación directa de CP en la desintegración del mesón D 0 en piones . [70]
El quark charm es un quark de tipo up de segunda generación . [6] [64] Lleva encanto, un número cuántico . [71] Según la Particle Physics Review de 2022 , el quark encantado tiene una masa de1,27 ± 0,02 GeV/ c 2 , [b] una carga de +2/3 e y un amuleto de +1. [9] El quark charm es más masivo que el quark extraño: la relación entre las masas de los dos es aproximadamente11.76+0,05
−0,10. [9]
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 unidos de un quark charm y un antiquark charm. [64] Hay varios mesones encantados, incluidos
D±
y
D0
. [75] Los bariones encantados incluyenΛC,ΣC,ΞC,ΩC, con diversas cargas y resonancias . [76]
Las partículas que contienen quarks charm se pueden producir mediante colisiones electrón-positrón o en colisiones de hadrones. [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 descomponerse en hadrones que contienen el quark charm o el antiquark charm. [82] El bosón Z puede descomponerse en charmonium mediante la fragmentación del quark charm. [83] El bosón de Higgs también puede desintegrarse a
J/ψ
o
η
Cmediante el mismo mecanismo. La tasa de desintegración del bosón de Higgs en caromnio está "gobernada por el acoplamiento Yukawa charm-quark ". [84]
El quark charm puede descomponerse 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]
