Кварконий
Кварко́ний — вид мезона, состоящий из кварка и антикварка одного и того же аромата[1]. Примерами таких частиц являются J/ψ-мезон (cc, состояние чармония см. ниже) и ϒ-мезон (bb, состояние боттомония см. ниже). Реальное связанное состояние t-кварка и антикварка — топоний, или тэта-мезон — не существует, поскольку t-кварк распадается путём слабого взаимодействия прежде, чем может сформировать связанное состояние (однако может существовать виртуальная пара tt). Обычно термин «кварконий» употребляется только применительно к тяжёлым ароматам, то есть мезонам, образованным тяжелыми кварками (c, b, t). Это связано с тем, что физические состояния лёгких кварков (u, d и s), наблюдаемые в эксперименте, представляют собой квантово-механические суперпозиции всех ароматов. Большое различие в массах очарованного (с) и прелестного (b) кварков с лёгкими ароматами приводит к тому, что состояния первых хорошо описываются в терминах кварк-антикварковых пар одного аромата.
Состояния чармония
[править | править код]В представленной таблице одни и те же частицы могут быть названы с использованием спектроскопической нотации или путём указания их массы. В некоторых случаях используются серии возбуждений: Ψ′ — первое возбуждение Ψ (исторически это состояние называется J/ψ), Ψ″ — второе возбуждение и т. д.
Некоторые состояния предсказаны, но пока не обнаружены; другие не подтверждены. Квантовые числа частицы X(3872) неизвестны, по поводу её структуры идёт дискуссия. Это может быть:
- кандидат в состояние 11D2;
- гибридное состояние чармония;
- молекула
В 2005 году в эксперименте BaBar объявили об открытии нового состояния Y(4260)[2][3]. Эксперименты CLEO и Belle также подтвердили его существование. Первоначально считалось, что это состояние чармония, однако имеются свидетельства более экзотической природы этой частицы, например молекула D-мезонов, система из 4 кварков или гибридный мезон.
| Терм n2S + 1LJ | IG(JPC) | Частица | Масса (МэВ/c²)[4] |
|---|---|---|---|
| 11S0 | 0+(0−+) | ηc(1S) | 2980,3 ± 1,2 |
| 1³S1 | 0−(1−−) | J/ψ(1S) | 3096,916 ± 0,011 |
| 11P1 | 0−(1+−) | hc(1P) | 3525,93 ± 0,27 |
| 1³P0 | 0+(0++) | χc0(1P) | 3414,75 ± 0,31 |
| 1³P1 | 0+(1++) | χc1(1P) | 3510,66 ± 0,07 |
| 1³P2 | 0+(2++) | χc2(1P) | 3556,20 ± 0,09 |
| 21S0 | 0+(0−+) | ηc(2S) или η′c | 3637 ± 4 |
| 2³S1 | 0−(1−−) | ψ(3686) | 3686,09 ± 0,04 |
| 11D2 | 0+(2−+) | ηc2(1D)† | |
| 1³D1 | 0−(1−−) | ψ(3770) | 3772,92 ± 0,35 |
| 1³D2 | 0−(2−−) | ψ2(1D) | |
| 1³D3 | 0−(3−−) | ψ3(1D) | 3842 ± 1[5] |
| 21P1 | 0−(1+−) | hc(2P)† | |
| 2³P0 | 0+(0++) | χc0(2P)† | |
| 2³P1 | 0+(1++) | χc1(2P)† | |
| 2³P2 | 0+(2++) | χc2(2P)† | |
| ???? | 0?(??)† | X(3872) | 3872,2 ± 0,8 |
| ???? | ??(1−−) | Y(4260) | 4260+8 −9 |
Примечания:
- * Требует подтверждения.
- † Предсказан, но пока не обнаружен.
- † Интерпретируется как состояние чармония 1−−.
Состояния боттомония
[править | править код]В представленной таблице одни и те же частицы могут быть названы с использованием спектроскопической нотации или путём указания их массы.
Некоторые состояния предсказаны, но пока не обнаружены; другие не подтверждены.
| Терм n2S + 1LJ | IG(JPC) | Частица | Масса (МэВ/c²)[6] |
|---|---|---|---|
| 11S0 | 0+(0−+) | ηb(1S) | 9388,9+3,1 −2,3 |
| 1³S1 | 0−(1−−) | Υ(1S) | 9460,30 ± 0,26 |
| 11P1 | 0−(1+−) | hb(1P) | |
| 1³P0 | 0+(0++) | χb0(1P) | 9859,44 ± 0,52 |
| 1³P1 | 0+(1++) | χb1(1P) | 9892,76 ± 0,40 |
| 1³P2 | 0+(2++) | χb2(1P) | 9912,21 ± 0,40 |
| 21S0 | 0+(0−+) | ηb(2S) | |
| 2³S1 | 0−(1−−) | Υ(2S) | 10023,26 ± 0,31 |
| 11D2 | 0+(2−+) | ηb2(1D) | |
| 1³D1 | 0−(1−−) | Υ(1D) | 10161,1 ± 1,7 |
| 1³D2 | 0−(2−−) | Υ2(1D) | |
| 1³D3 | 0−(3−−) | Υ3(1D) | |
| 21P1 | 0−(1+−) | hb(2P) | |
| 2³P0 | 0+(0++) | χb0(2P) | 10232,5 ± 0,6 |
| 2³P1 | 0+(1++) | χb1(2P) | 10255,46 ± 0,55 |
| 2³P2 | 0+(2++) | χb2(2P) | 10268,65 ± 0,55 |
| 3³S1 | 0−(1−−) | Υ(3S) | 10355,2 ± 0,5 |
| 4³S1 | 0−(1−−) | Υ(4S) или Υ(10580) | 10579,4 ± 1,2 |
| 5³S1 | 0−(1−−) | Υ(10860) | 10865 ± 8 |
| 6³S1 | 0−(1−−) | Υ(11020) | 11019 ± 8 |
Примечания:
- * Предварительный результат, требуется подтверждение.
Кварконий в КХД
[править | править код]Расчёты свойств мезонов в квантовой хромодинамике (КХД) носят непертурбативный характер. Поэтому единственным доступным общим методом остаётся прямой расчёт с использованием КХД на решётке. Однако существуют и другие методы, также эффективные применительно к тяжёлому кварконию.
Лёгкие кварки в мезоне движутся с релятивистскими скоростями, поскольку масса их связанного состояния много больше масс самих составляющих кварков. Но скорость очарованного и прелестного кварков в соответствующих состояниях кваркония существенно меньше, и релятивистские эффекты затрагивают такие состояния в меньшей степени. Оценки этих скоростей v дают около 0,3 скорости света для чармония и 0,1 для боттомония. Таким образом расчёты таких состояний могут проводиться путём разложения по степеням малого параметра v/c. Этот метод получил название нерелятивистской КХД (non-relativistic QCD — NRQCD).
Нерелятивистская КХД также квантуется как калибровочная теория на решётке, что позволяет использовать ещё один подход в расчётах КХД на решётке. Таким образом было получено хорошее согласие с экспериментом в значении масс боттомония, и это является одним из лучших свидетельств состоятельности метода КХД на решётке. Для масс чармония согласие не такое хорошее, но учёные работают над улучшением данного метода. Также ведётся работа в направлении вычислений таких свойств, как ширины состояний кваркония и вероятности перехода между состояниями.
Ещё один исторически ранний, но до сих пор эффективный метод использует модель эффективного потенциала для расчёта масс состояний кваркония. Предполагается, что кварки, составляющие кварконий, движутся с нерелятивистскими скоростями в статическом потенциале, подобно тому, как это происходит с электроном в нерелятивистской модели атома водорода. Один из наиболее популярных модельных потенциалов носит название потенциала Корнелла:
где r — эффективный радиус связанного состояния, a и b — некие параметры. Такой потенциал состоит из двух частей. Первая, a/r, отвечает потенциалу, создаваемому одноглюонным обменом между кварком и антикварком, и называется кулоновской частью, поскольку повторяет вид кулоновского потенциала электромагнитного поля, также пропорционального 1/r. Вторая часть, br, отвечает эффекту конфайнмента кварков. Обычно при использовании данного подхода берётся удобная форма волновой функции кварков, а параметры a и b определяются путём подгонки к экспериментально измеренным значениям масс кваркониев. Релятивистские и прочие эффекты могут быть учтены путём добавления дополнительных членов к потенциалу, подобно тому, как это делается для атома водорода в нерелятивистской квантовой механике.
Последний метод не имеет качественного теоретического обоснования, однако весьма популярен, поскольку позволяет довольно точно предсказывать параметры кваркония, избегая длительных вычислений на решётке, а также разделяет влияние короткодействующего кулоновского потенциала и дальнодействующего эффекта конфайнмента. Это оказывается полезно для понимания характера сил между кварком и антикварком в КХД.
Значение
[править | править код]Изучение кваркония представляет интерес с точки зрения определения параметров кварк-глюонного взаимодействия. Мезоны проще для изучения, так как состоят только из двух кварков, а кварконий для этих целей подходит лучше всего из-за симметричности.
См. также
[править | править код]Примечания
[править | править код]- ↑ Суффикс -оний (-onium) применяется для обозначения связанных систем, состоящих из частицы и соответствующей античастицы; иногда для таких систем используется общий термин оний.
- ↑ A new particle discovered by BaBar experiment. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (6 июля 2005). Дата обращения: 6 марта 2010. Архивировано 11 марта 2012 года.
- ↑ B. Aubert et al. (BaBar Collaboration). Observation of a broad structure in the π+π−J/ψ mass spectrum around 4.26 GeV/c2 (2005). Дата обращения: 29 апреля 2010. Архивировано 18 января 2016 года.
- ↑ Patrignani C. et al. (Particle Data Group). 2016 Review of Particle Physics. , Chin. Phys. C, 40, 100001 (2016). [https://web.archive.org/web/20161213201506/http://pdglive.lbl.gov/ParticleGroup.action?node=MXXX025&init= Архивная копия от 13 декабря 2016 на Wayback Machine Архивная копия от 13 декабря 2016 на Wayback Machine cc MESONS] Архивная копия от 13 декабря 2016 на Wayback Machine
- ↑ В ЦЕРН обнаружена новая частица, которая уточнит кварковую модель. www.inp.nsk.su. Дата обращения: 28 февраля 2019. Архивировано 28 февраля 2019 года.
- ↑ Patrignani C. et al. (Particle Data Group). 2016 Review of Particle Physics. , Chin. Phys. C, 40, 100001 (2016). [https://web.archive.org/web/20161213201723/http://pdglive.lbl.gov/ParticleGroup.action?node=MXXX030&init= Архивная копия от 13 декабря 2016 на Wayback Machine Архивная копия от 13 декабря 2016 на Wayback Machine bb MESONS] Архивная копия от 13 декабря 2016 на Wayback Machine
Литература
[править | править код]- Э. Д. Блум, Г. Дж. Фелдман, Кварконий Архивная копия от 13 сентября 2013 на Wayback Machine, УФН, том 139, стр. 529—551, март 1983. DOI: 10.3367/UFNr.0139.198303f.0529
- Г. В. Пахлова, П. Н. Пахлов, С. И. Эйдельман, Экзотический чармоний Архивная копия от 30 марта 2013 на Wayback Machine, УФН, том 180, стр. 225—248, март 2010. DOI: 10.3367/UFNr.0180.201003a.0225.
| Фундаментальные частицы |
| ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Составные частицы |
| ||||||||||||
