Bottomonium

Bottomonium – ciężki mezon, złożony z kwarku i antykwarku spodniego (zwanego też pięknym) ${\displaystyle b.}$ 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, ${\displaystyle h_{b},}$ ${\displaystyle \Upsilon }$ i ${\displaystyle \chi _{b}.}$ Poniższa tabela porównuje ich własności^[2].

Znany jest jeden orbitalnie wzbudzony stan mezonu ϒ (J^P = 2⁻), nazwany ϒ(1D)^[4].

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^[3].

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^[5]. 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:

${\displaystyle \Upsilon \to \mu ^{+}\mu ^{-}.}$

Eksperymenty elektron-pozyton

Zderzenia elektronów z pozytonami ${\displaystyle (e^{+}e^{-})}$ 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, ${\displaystyle \Upsilon '}$ (obecnie oznaczany ϒ(2S))^[6]. Dopiero te pomiary jednoznacznie potwierdziły, że ϒ rzeczywiście jest cząstką zbudowaną z nowej generacji kwarków^[7]. W roku 1979 uruchomiony został nowy pierścień akumulacyjny CESR na Uniwersytecie Cornella. Szybko potwierdził odkrycia DORIS i odkrył kolejne dwa stany wzbudzone^[8].

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 ${\displaystyle b{\overline {b}},}$ 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^[9][10] i opublikowany w kwietniu 2012 r. w czasopiśmie „Physical Review Letters”^[11].

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^[12].

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^[1]:

${\displaystyle \Upsilon (4S)\to B^{+}B^{-}}$

lub

${\displaystyle \Upsilon (4S)\to B^{0}{\overline {B}}{}^{0}.}$

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.

Przypisy