Bottomonium

Szablon:Cząstka infobox Bottomonium – ciężki mezon, złożony z kwarku i antykwarku spodniego (zwanego też pięknym) $b.$ Pierwszym odkrytym stanem jest wektorowy mezon ϒ (ypsilon, fizycy zazwyczaj wymawiają jako „upsilon”), ściślej ϒ(1S). Historycznie była to pierwsza odkryta cząstka zawierająca kwark trzeciej generacji.

Jest przykładem stanu zwanego kwarkonium, czyli stanu związanego kwarku i jego antykwarku. Jest w związku z tym swoją własną antycząstką. Lekkie stany mają małą szerokość (stosunkowo długi czas życia), ze względu na regułę OZI.

Stany

Znanych jest szereg stanów bottomonium, oznaczanych η_b, $h_b,$ $\mathrm{{\rm Y}}$ i ${\chi }_b.$ Poniższa tabela porównuje ich własności.

Oznaczenie	Masa [MeV/c²]	Szerokość [MeV]
ηb(1S)	9398,0±3,2	11+6−4
ϒ(1S)	9460,30±0,26	0,05402±0,00125
χb0(1P)	9859,44±0,42±0,31
χb1(1P)	9892,78±0,26±0,31
hb(1P)	9899,3±1,0
χb2(1P)	9912,21±0,26±0,31
ηb(2S)	9999±4	<24
ϒ(2S)	10023,26±0,31	0,03198±0,00263
ϒ(1D)	10163,7±1,4
χb0(2P)	10232,5±0,4±0,5
χb1(2P)	10255,46±0,22±0,50
hb(2P)	10259,8±1,2
χb2(2P)	10268,65±0,22±0,50
ϒ(3S)	10355,2±0,5	0,02032±0,00185
χb(3P)	10534±9
ϒ(4S) lub Υ(10580)	10579,4±1,2	20,5±2,5
X(10610)± lub Zb(10610)	10607,2±2,0	18,4±2,4
X(10650)± lub Zb(10650)	10652,2±1,5	11,5±2,2
ϒ(10860)	10876±11	55±28
ϒ(11020)	11019±8	79±16

Znany jest jeden orbitalnie wzbudzony stan mezonu ϒ (J^P = 2⁻), nazwany ϒ(1D).

Naładowane cząstki Z^b(10610) i Z^b(10650) to prawdopodobnie tetrakwarki zawierające kwark denny i antydenny, o czym świadczą ich rozpady na stan bottomonium i naładowany lekki mezon.

Historia odkrycia i badań

Wykres masy niezmienniczej pary mionów w eksperymencie E288. „Górka” nieco poniżej 10 GeV pochodzi z rozpadu mezonu ϒ.

Pierwsze doniesienie o odkryciu cząstki ypsilon zostało opublikowane w styczniu 1976 przez zespół E288 z Fermilabu, pracujący pod kierunkiem Leona Ledermana. Okazało się ono jednak błędne i zostało nazwane żartobliwie „Oops-Leon”.

Cząstka ypsilon została ostatecznie odkryta w roku 1977 przez ten sam zespół. W eksperymencie analizowano produkty zderzeń wysokoenergetycznych protonów z tarczami z ciężkich metali (miedź, platyna), wykrywając wyprodukowane w zderzeniu miony i mierząc ich pędy. Na wykresie masy niezmienniczej pary mionów zaobserwowano zwiększoną liczbę przypadków przy masie około 9,5 GeV/c². Nadmiar ten został zinterpretowany jako efekt produkcji nowej cząstki i jej niemal natychmiastowego rozpadu:

$\mathrm{{\rm Y}}\to {\mu }^{+}{\mu }^{-}.$

Eksperymenty elektron-pozyton

Zderzenia elektronów z pozytonami $(e^{+}{e}^{-})$ są idealną metodą produkcji i badania własności stanów kwarkonium. Wirtualny foton powstały w anihilacji elektronu i pozytonu może rozpaść się na parę kwark-antykwark, o ile tylko jego energia jest dostatecznie wysoka dla wyprodukowania takiej pary. Jeżeli przy tym powstająca para może utworzyć stan związany (kwarkonium), następuje rezonansowe zwiększenie przekroju czynnego na zderzenie elektron-pozyton. Zmieniając energię zderzających się cząstek i mierząc przekrój czynny, można obserwować stany kwarkonium i precyzyjnie mierzyć ich masy.

Krótko po ogłoszeniu odkrycia w roku 1978 pracujący w DESY akcelerator DORIS został pospiesznie zmodyfikowany, by jego wiązki mogły osiągnąć energię 5 GeV. Pracujące przy nim eksperymenty PLUTO i DASP szybko odnalazły rezonans ϒ i zmierzyły jego parametry. W kilka miesięcy później odkryto drugi stan, ${\mathrm{{\rm Y}}}^{\prime }$ (obecnie oznaczany ϒ(2S)). Dopiero te pomiary jednoznacznie potwierdziły, że ϒ rzeczywiście jest cząstką zbudowaną z nowej generacji kwarków. W roku 1979 uruchomiony został nowy pierścień akumulacyjny CESR na Uniwersytecie Cornella. Szybko potwierdził odkrycia DORIS i odkrył kolejne dwa stany wzbudzone.

Przez następne kilkanaście lat DORIS i CESR prowadziły badania w obszarze energetycznym odpowiadającym rezonansom ϒ. Ich efektem były m.in.:

• odkrycie znanego obecnie spektrum stanów ϒ;
• dokładne wyznaczenie mas i szerokości wszystkich stanów;
• odkrycie innych stanów spinowych układu $b\bar{b},$ nazwanych χ_b.

LHC

Stan χ_b (3P) (w niesformatowanym tekście ASCII chi_b (3P)) bottomonium był pierwszą cząstką odkrytą w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Artykuł o tym odkryciu został wysłany do arXiv 21 grudnia 2011 i opublikowany w kwietniu 2012 r. w czasopiśmie „Physical Review Letters”.

Wykorzystanie

Ciężkie kwarkonia, a więc w szczególności i cząstka ϒ, stanowią doskonałe laboratorium do sprawdzania przewidywań chromodynamiki kwantowej. Obliczone przez QCD energie stanów wzbudzonych są porównywane ze zmierzonymi, a wyniki wykorzystywane są do ulepszania metod obliczeniowych i wyznaczania parametrów teorii.

ϒ(4S)

Stan ϒ(4S) jest szczególnie interesujący z eksperymentalnego punktu widzenia, ponieważ jego masa jest minimalnie wyższa od podwojonej masy mezonu B. Dzięki temu ϒ(4S) rozpada się niemal w 100% na pary mezonów B:

$\mathrm{{\rm Y}}(4S)\to B^{+}{B}^{-}$

lub

$\mathrm{{\rm Y}}(4S)\to B^0\bar{B}{}^0.$

Rozpady ϒ(4S) stanowią bardzo „czyste” źródło mezonów B, umożliwiające precyzyjne badanie ich własności. Tak zwane „fabryki B” – akceleratory zbudowane specjalnie do badań nad tymi mezonami, pracują przy energii w układzie środka masy zderzających się cząstek równej masie tego stanu.