Введение

Тип частицы

Очарованные барионы — это категория составных частиц, включающая все барионы, состоящие как минимум из одного c-кварка. С момента их первого наблюдения в 1970-х годах было идентифицировано большое количество различных состояний очарованных барионов. Массы наблюдаемых очарованных барионов находятся в диапазоне от 2300 до 2700. В 2002 году коллаборация SELEX, расположенная в Фермилабе, представила свидетельства существования двукратно очарованного бариона, содержащего два c-кварка, с массой около 3520, однако это пока не подтверждено другими экспериментами. Существование тройного очарованного бариона предсказано, но пока не наблюдалось.

Номенклатура

Номенклатура очарованных барионов основана как на кварковом составе, так и на изоспине. Наименование следует правилам, установленным Particle Data Group. Очарованные барионы, состоящие из одного c-кварка и двух u-кварков, одного u-кварка и одного d-кварка, или двух d-кварков, известны как очарованные Λ (лямбды, изоспин 0) или очарованные Σ (сигмы, изоспин 1). Очарованные барионы с изоспином 1/2, состоящие из одного c-кварка и одного u- или d-кварка, известны как очарованные Ξ (кси), и все они имеют изоспин 1/2. Очарованные барионы, состоящие из одного c-кварка и не содержащие u- или d-кварков, называются очарованными Ω (омегами), и все они имеют изоспин 0. Очарованные барионы, состоящие из двух c-кварков и одного u- или d-кварка, называются двойными очарованными Ξ (кси), и все они имеют изоспин 1/2. Очарованные барионы, состоящие из двух c-кварков и не содержащие u- или d-кварков, называются двойными очарованными Ω (омегами), и все они имеют изоспин 0. Очарованные барионы, состоящие из трех c-кварков, называются тройными очарованными Ω (омегами), и все они имеют изоспин 0. Заряд обозначается верхними индексами. Содержание тяжелых кварков (b, c или t кварков) обозначается нижними индексами. Например, состоит из одного b-кварка и одного c-кварка, и из заряда c-кварка (+e) и b-кварка (−e) можно заключить, что третий кварк должен быть u-кварком (+e). Иногда для обозначения резонанса используются звездочки или штрихи.

Свойства

Важные параметры очарованных барионов, которые предстоит изучить, включают в себя четыре характеристики. Это, во-первых, масса, во-вторых, время жизни для барионов с измеримым временем жизни, в-третьих, собственная ширина (частицы с настолько коротким временем жизни, что его невозможно измерить, имеют измеримую "ширину" или разброс масс, обусловленные принципом неопределенности Гейзенберга), и, в-четвертых, каналы распада. Сводки измерений этих параметров можно найти в публикациях Particle Data Group.

Производство и обнаружение

Очарованные барионы образуются при столкновениях частиц с высокой энергией, таких как те, что создаются на ускорителях частиц. Основной метод их поиска заключается в обнаружении продуктов распада, идентификации этих частиц и измерении их импульсов. Если все продукты распада найдены и измерены корректно, то можно рассчитать массу родительской частицы. Например, предпочтительным распадом является распад на протон, каон и пион. Импульсы этих (достаточно стабильных) частиц измеряются детектором, и, используя стандартные правила работы с четырёх-импульсом и правильные релятивистские уравнения, можно определить массу родительской частицы. В столкновениях частиц протоны, каоны и пионы производятся довольно часто, и лишь малая часть этих комбинаций происходит от очарованного бариона. Поэтому важно измерять большое количество таких комбинаций. Построение графика рассчитанной массы родительской частицы покажет пик, соответствующий массе , но наряду с гладким фоном "фазового пространства". Ширина пика определяется разрешением детектора, при условии, что очарованный барион достаточно стабилен (например, с временем жизни около 2). Другие, более возбужденные состояния очарованных барионов, распадающиеся посредством сильного взаимодействия, обычно имеют большую собственную ширину. Это затрудняет выделение пика на фоне случайных комбинаций. Первые наблюдения частиц этим методом были особенно сложными – излишняя интерпретация статистических флуктуаций или эффектов, создающих ложные "пики", привела к тому, что некоторые опубликованные результаты впоследствии оказались ошибочными. Однако, благодаря накоплению большего объема данных, полученных в ходе многочисленных экспериментов, спектроскопия состояний очарованных барионов достигла зрелого уровня.

Зачарованная Ламбда + история

Первым очарованным барионом, который был обнаружен, был Λ<sub>c</sub><sup>+</sup>. Не совсем ясно, когда частица была впервые замечена; был ряд экспериментов, которые опубликовали доказательства существования этого состояния, начиная с 1975 года, но сообщаемые массы часто были ниже, чем современное известное значение. С тех пор Λ<sub>c</sub><sup>+</sup> барионы производились и изучались во многих экспериментах, в частности, в экспериментах с фиксированной мишенью (таких как FOCUS и SELEX) и на B-фабриках (ARGUS, CLEO, BABAR и BELLE).

Масса

Окончательное измерение массы было выполнено экспериментом BaBar, который сообщил о массе 2286,46 с небольшой погрешностью. Чтобы понять порядок величин, это более чем в два раза превышает массу протона. Избыточная масса легко объясняется большой массой составляющих кварка очарования, которая сама по себе больше массы протона.

Время жизни

Время жизни составляет почти точно 0,2 пикосекунды. Это типичное время жизни для частиц, распадающихся посредством слабого взаимодействия, учитывая большое доступное фазовое пространство. В измерение времени жизни внесли вклад несколько экспериментов, в том числе FOCUS, SELEX и CLEO.

Распад

Распадается на множество различных конечных состояний в соответствии с правилами слабых распадов. Распад на протон, каон и пион (каждый из них заряженный) особенно популярен среди экспериментаторов, поскольку его особенно легко обнаружить. Он составляет около 5% от всех распадов; измерено около 30 различных каналов распада. Изучение этих коэффициентов ветвления позволяет теоретикам разделить вклад различных фундаментальных диаграмм в распады и открывает окно в физику слабого взаимодействия.

Орбитальные возбуждения

Модель кварков, в сочетании с квантовой механикой, предсказывает существование орбитальных возбуждений частиц. Наиболее низколежащие из этих состояний соответствуют ситуации, когда два легких кварка (u-кварк и d-кварк) объединяются в состояние со спином 0, добавляется одна единица орбитального углового момента, и это объединяется с собственным спином c-кварка, образуя дублет частиц. Более высокоэнергетическое из этих состояний (2625) было обнаружено в 1993 году коллаборацией ARGUS. Поначалу было неясно, какое именно состояние было обнаружено, но последующее открытие более низкоэнергетического состояния (2593) коллаборацией CLEO прояснило ситуацию. Режимы распада, измеренные массы и ширины, а также распад на два заряженных пиона вместо одного заряженного и одного нейтрального пиона, все подтверждают идентификацию этих состояний.

Содержание колдуньи Сигмы

Как отмечалось выше, очарованные сигма-частицы, как и барионы, состоят из c-кварка и двух легких (u, d, s) кварков. Однако у барионов изоспин равен 1. Это эквивалентно тому, что они могут существовать в трех состояниях заряда: двойной, одинарный и нейтральный. Ситуация напрямую аналогична номенклатуре странных барионов. Барионы в основном состоянии (то есть без орбитального углового момента) также могут быть представлены таким образом. Каждый кварк является частицей со спином 1/2. Спины могут быть направлены вверх или вниз. В основном состоянии два легких кварка направлены спинами вверх и вниз, образуя дикварк с нулевым спином. Затем он объединяется с c-кварком, образуя частицу со спином 1/2. В барионах, два легких кварка объединяются, образуя дикварк со спином 1, который затем объединяется с c-кварком, образуя либо частицу со спином 1/2, либо частицу со спином 3/2 (обычно называемую декуплетным барионом). Именно правила квантовой механики позволяют сигма-частицам существовать только с тремя различными кварками (то есть u, d, s кварками), в то время как барионы могут существовать как cuu, cud или cdd (отсюда три различных заряда). Все сигма-частицы распадаются посредством сильного взаимодействия. Обычно это означает испускание пиона при распаде до сравнительно стабильного нуклона. Поэтому их массы обычно не измеряются напрямую, а определяются по разности масс, m − m₀. Это экспериментально легче измерить точно и теоретически легче предсказать, чем абсолютное значение массы.

(2455) история и масса

Наименьшей массе было присвоено название "2455" группой данных о частицах (Particle Data Group) в соответствии с их условностью, согласно которой сильно распадающиеся частицы обозначаются приблизительным значением их массы. Его поиск велся с первых дней изучения очарованных барионов. Отдельные события, зарегистрированные в пузырьковых камерах, неоднократно объявлялись экспериментами как свидетельство существования частиц, однако неясно, как одно подобное событие может служить доказательством резонанса. Уже в 1979 году были получены разумные основания полагать о существовании состояния с двойным зарядом, полученные коллаборацией Columbia–Brookhaven. В 1987–1989 годах серия экспериментов (E 400 на Фермилабе, ARGUS и CLEO) с гораздо большей статистикой обнаружила убедительные доказательства существования состояний с двойным и нейтральным зарядами (хотя нейтральное состояние, зарегистрированное в эксперименте E 400, оказалось ложным сигналом). Стало ясно, что разность масс m − m составляет около 168 МэВ. Однозаряженное состояние было сложнее обнаружить не из-за трудности его образования, а просто потому, что его распад через нейтральный пион сопровождается большим фоном и имеет худшее разрешение при регистрации большинством детекторов частиц. Оно не было обнаружено (за исключением сообщения об одном событии) до 1993 года коллаборацией CLEO. Внутренняя ширина этого резонанса невелика по сравнению с большинством сильных распадов, но в настоящее время, по крайней мере для нейтрального и двойного заряженных состояний, она измерена как около 2 МэВ детекторами CLEO и FOCUS. Следующее по массе состояние – это состояние с другим спином, обычно обозначаемое как или (2520). Очевидно, что они будут "шире" из-за большего фазового пространства их распада, которое, как и в случае (2455), состоит из одного пиона и основного состояния. Снова, для подтверждения сигнала необходимо накопление большой статистики, чтобы он возвышался над большим количеством пар , образующихся в экспериментах. Опять же, нейтральные и двойные заряженные состояния экспериментально легче обнаруживаются, и они были открыты в 1997 году коллаборацией CLEO. Для обнаружения однозаряженного состояния пришлось дождаться 2001 года, когда было собрано больше данных.

история и масса

В стандартной кварковой модели, состоит из комбинации кварков csu, а состоит из комбинации кварков csd. Обе частицы распадаются посредством слабого взаимодействия. Первое наблюдение было осуществлено в 1983 году коллаборацией WA62 на ЦЕРНе. Они обнаружили значительный пик в режиме распада при массе 2460. Современное значение массы получено на основе усреднения результатов 6 экспериментов и составляет 2467,9. был открыт в 1989 году коллаборацией CLEO, которая измерила пик в режиме распада с массой 2471. Принятое значение равно 2471,0.

История и масса Омеги

Неудивительно, что из четырех слабо распадающихся, одиночно очарованных барионов, барион с кварковой комбинацией css был открыт последним и изучен наименее тщательно. Его история неясна. Некоторые авторы утверждают, что в 1985 году в ЦЕРНе был зафиксирован кластер из трех событий, который мог быть сигналом, но сейчас это исключено из-за несоответствия массы. Эксперимент ARGUS опубликовал небольшой пик, который мог быть сигналом в 1993 году, но сейчас это исключено на основании величины сечения, поскольку многие эксперименты работали в тех же условиях, что и ARGUS, но с гораздо большим количеством столкновений. Эксперимент E687 в Фермилабе опубликовал две статьи, одну в 1993 году, а другую в 1994 году. В первой была показана небольшая пиковая структура с незначительной статистической значимостью в режиме распада , а во второй – более крупный, казалось бы, надёжный сигнал в режиме распада. Последнее наблюдение считается достоверным группой по обзору данных о частицах, но всё чаще вызывает вопросы, поскольку этот режим распада не был обнаружен другими экспериментами. Эксперимент CLEO обнаружил пик из 40 событий в сумме различных каналов распада с массой 2494,6. После этого два эксперимента, BaBar и Belle, собрали большой объем данных и показали очень сильные сигналы при массе, близкой к значению, полученному в CLEO. Однако ни один из них не провёл необходимых исследований для определения массы с указанием погрешности. Таким образом, хотя нет сомнений в открытии этой частицы, точное измерение её массы отсутствует.