Очарованный кварк: история открытия и свойства

Введение

Тип кварка

Шарм-кварк, очарованный кварк или c-кварк — элементарная частица, входящая в состав субатомных частиц, называемых адронами, таких как мезон J/ψ и очарованные барионы, создаваемые при столкновениях в ускорителях частиц. Несколько бозонов, включая W- и Z-бозоны и бозон Хиггса, могут распадаться на шарм-кварки. Все шарм-кварки обладают свойством «шарм» — квантовым числом. Эта частица второго поколения является третьей по массе, её масса составляет 1,27 по данным на 2022 год, а электрический заряд — +e.

В 1964 году Джеймс Бьёркен и Шелдон Глашоу выдвинули теорию о существовании шарм-кварка, а в 1970 году Глашоу и Джон Илиопулос, а также другие ученые, продолжили её разработку. В 1974 году шарм-кварк был независимо обнаружен в мезоне J/ψ в Национальной лаборатории Брукхейвена и в Стэнфордском линейном ускорителе частиц. В последующие годы были обнаружены другие очарованные частицы, включая D-мезон и очарованные странные мезоны. В XXI веке был найден барион, содержащий два очарованных кварка. Недавние данные свидетельствуют о существовании внутренних шарм-кварков в протоне, а также изучается взаимодействие шарм-кварка и бозона Хиггса. Последние результаты также указывают на нарушение CP-инвариантности в распаде D0-мезона, содержащего шарм-кварк.

Именование

По словам Шелдона Глашоу, шарм-кварк получил своё название благодаря "симметрии, которую он привнёс в мир субатомных частиц". Глашоу также обосновал это название как "магическое средство для предотвращения зла", поскольку добавление шарм-кварка исключало нежелательные и не наблюдаемые распады в рамках трёхкварковой теории того времени. Шарм-кварк также называют "очарованным кварком" как в научной, так и в популярной литературе. Обозначение шарм-кварка – "c".

Предыстория

В 1961 году Мюррей Гелл-Манн представил Восьмикратный путь как закономерность для группировки барионов и мезонов. В 1964 году Гелл-Манн и Джордж Цвайг независимо друг от друга предложили, что все адроны состоят из элементарных составляющих, которые Гелл-Манн назвал "кварками". Первоначально были предложены только верхний кварк, нижний кварк и странный кварк. Эти кварки должны были воспроизвести все частицы, входящие в Восьмикратный путь. Гелл-Манн и Казухико Нисидзима установили странность – квантовое число – в 1953 году для описания процессов, связанных со странными частицами, такими как и .

Открытие

Гласшоу предсказал, что даун-кварк протона может поглотить частицу и стать c-кварком (или шарм-кварком). Затем протон превращался бы в очарованный барион, прежде чем распасться на несколько частиц, включая лямбда-барион. В конце мая 1974 года Роберт Палмер и Николас П. Самиос зафиксировали событие, в результате которого образовался лямбда-барион в их пузырьковой камере в Национальной лаборатории Брукхейвена. Палмеру потребовались месяцы, чтобы убедиться, что лямбда-барион возник из очарованной частицы. Магнит пузырьковой камеры вышел из строя в октябре 1974 года, и им больше не удалось наблюдать подобное событие. Эти два учёных опубликовали свои наблюдения в начале 1975 года. Майкл Риордан прокомментировал, что это событие было "неоднозначным" и представляло собой "ободряющее, но не убедительное доказательство".

J/psi мезон (1974)

В 1974 году Сэмюэл Ц. Ц. Тинг искал очарованные частицы в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL). Его команда использовала детектор электронно-позитронных пар. К концу августа они обнаружили пик при 3,1, а ширина сигнала была менее 5. Команда в конечном итоге убедилась, что они наблюдали массивную частицу и назвали ее "J". Тинг рассматривал возможность объявления о своем открытии в октябре 1974 года, но отложил объявление из-за опасений относительно отношения μ/π. В Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC) команда Бертона Рихтера провела эксперименты 9–10 ноября 1974 года. Они также обнаружили высокую вероятность взаимодействия при 3,1. Они назвали эту частицу "пси". 11 ноября 1974 года Рихтер встретился с Тингом в SLAC, и они объявили об открытии. Теоретики немедленно приступили к анализу новой частицы. Было показано, что время жизни частицы составляет порядка 10−20 секунд, что указывало на ее особые характеристики. Томас Аппелквист и Дэвид Политцер предположили, что частица состоит из c-кварка и c-антикварка со спинами, выровненными параллельно. Они назвали эту конфигурацию "хармониум". Хармониум имеет две формы: "ортохармониум", где спины двух кварков параллельны, и "парахармониум", где спины выровнены противоположно. Мюррей Гелл-Манн также верил в идею хармониума. Некоторые другие теоретики, такие как Ричард Фейнман, изначально полагали, что новая частица состоит из u-кварка и c-антикварка. 15 ноября 1974 года Тинг и Рихтер выпустили пресс-релиз об открытии. 21 ноября в SLAC установка SPEAR обнаружила резонанс частицы J/psi при 3,7, как и предсказывали Мартин Брейденбах и Теренс Голдман. Эта частица была названа ψ′ ("пси-штрих"). В конце ноября Аппелквист и Политцер опубликовали свою статью, теоретически обосновывающую существование хармониума. Глашоу и Альваро Де Ружула также опубликовали статью под названием "Найдено ли связанное очарование?", в которой использовали c-кварк и асимптотическую свободу для объяснения свойств мезона J/psi. В конечном итоге, 2 декабря 1974 года, журнал Physical Review Letters (PRL) опубликовал статьи об открытии J и psi, представленные соответственно Тингом и Рихтером. Открытие ψ′ было опубликовано на следующей неделе. Затем, 6 января 1975 года, PRL опубликовал девять теоретических работ о частице J/psi; по словам Майкла Риордана, пять из них "поддерживали гипотезу об очаровании и ее вариации". В 1976 году Тинг и Рихтер разделили Нобелевскую премию по физике за открытие "тяжелой элементарной частицы нового типа". В августе 1976 года в The New York Times Глашоу вспомнил свою ставку и прокомментировал: "Вино Джона [Илиопулоса] и моя шляпа были спасены в самый последний момент". На следующей конференции EMS спектроскописты съели мексиканские конфетные шляпы, предоставленные организаторами. Фрэнк Клоуз написал статью в Nature под названием "Илиопулос выиграл свою ставку" в том же году, заявив, что 18-й ICHEP был "действительно доминирован этим открытием". Никто не выплатил свои ставки Илиопулосу.

In 1974, Samuel C. C. Ting was searching for charmed particles at Brookhaven National Laboratory (BNL). His team was using an electron pair detector. By the end of August, they found a peak at 3.1 and the signal's width was less than 5. The team was eventually convinced they had observed a massive particle and named it "J". Ting considered announcing his discovery in October 1974 but he postponed the announcement due to his concern on the μ/π ratio. At the Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), Burton Richter's team performed experiments on 9–10 November 1974. They also found a high probability of interaction at 3.1. They called the particle "psi". On 11 November 1974, Richter met Ting at the SLAC, and they announced their discovery. Theorists immediately began to analyze the new particle. It was shown to have a lifetime on the scale of 10−20 seconds, suggesting special characteristics. Thomas Appelquist and David Politzer suggested the particle was composed of a charm quark and a charm antiquark with their spin aligned in parallel. The two called this configuration "charmonium". Charmonium would have two forms: "orthocharmonium", where the spins of the two quarks are parallel, and "paracharmonium", where the spins align oppositely. Murray Gell Mann also believed in the idea of charmonium. Some other theorists, such as Richard Feynman, initially thought the new particle consisted of an up quark with a charm antiquark. On 15 November 1974, Ting and Richter issued a press release about their discovery. On 21 November at the SLAC, SPEAR found a resonance of the J/psi particle at 3.7 as Martin Breidenbach and Terence Goldman had predicted. This particle was called ψ′ ("psi prime"). In late November, Appelquist and Politzer published their paper theorizing charmonium. Glashow and Alvaro De Rujula also published a paper called "Is Bound Charm Found? ", in which they used the charm quark and asymptotic freedom to explain the properties of the J/psi meson. Eventually, on 2 December 1974, Physical Review Letters (PRL) published the discovery papers of J and psi, by Ting and Richter respectively. The discovery of the psi prime was published the following week. Then, on 6 January 1975, PRL published nine theoretical papers on the J/psi particle; according to Michael Riordan, five of them "promoted the charm hypothesis and its variations". In 1976, Ting and Richter shared the Nobel Prize in Physics for their discovery "of a heavy elementary particle of the new kind". In August 1976, in The New York Times, Glashow recalled his wager and commented, "John [Iliopoulos]'s wine and my hat had been saved in the nick of time". At the next EMS conference, spectroscopists ate Mexican candy hats supplied by the organizers. Frank Close wrote a Nature article titled "Iliopoulos won his bet" in the same year, saying the 18th ICHEP was "indeed dominated by that very discovery". No one paid off their bets to Iliopoulos.

Другие зачарованные частицы (19751977)

В апреле 1975 года Э. Г. Каццоли и др., включая Палмера и Самиоса, опубликовали свои прежние неоднозначные данные о существовании очарованного бариона. К моменту Симпозиума по лептонам и фотонам в августе 1975 года было обнаружено восемь новых тяжелых частиц. Однако у этих частиц суммарный очарованный кварк равен нулю. Начиная с четвертого квартала того же года, физики начали поиск частиц с чистым, или "обнаженным" очарованием. 3 мая 1976 года в SLAC Герсон Голдхабер и Франсуа Пьер обнаружили пик при 1,87 ГэВ, что указывало на наличие нейтрального очарованного D-мезона в соответствии с предсказанием Глашоу. 5 мая Голдхабер и Пьер опубликовали совместный меморандум об открытии "голого очарования". К моменту 18-й Международной конференции по физике высоких энергий было обнаружено еще больше очарованных частиц. Риордан отметил, что "на конференции, от сессии к сессии, появлялись все более убедительные доказательства существования очарования", подтверждающие существование c-кварка. Очарованный странный мезон был обнаружен в 1977 году.

Последующие и современные исследования

В 2002 году коллаборация SELEX в Фермилабе опубликовала первое наблюдение двойного очарованного бариона ("двойной очарованный xi+"). Это трехкварковая частица, содержащая два c-кварка. Команда обнаружила, что двойные очарованные барионы с верхним кварком более массивны и имеют более высокую вероятность образования, чем барионы с нижним кварком. В 2007 году коллаборации BaBar и Belle независимо сообщили о свидетельствах смешивания двух нейтральных очарованных мезонов, и эти свидетельства подтвердили, что скорость смешивания мала, как и предсказывается Стандартной моделью. Ни одно из исследований не обнаружило свидетельств нарушения CP-инвариантности в распадах этих двух частиц. В 2022 году коллаборация NNPDF обнаружила свидетельства существования внутренних c-кварков в протоне. В том же году физики также провели прямой поиск распадов бозона Хиггса на c-кварки, используя детектор ATLAS Большого адронного коллайдера. Они установили, что связь Хиггса с c-кварками слабее, чем связь Хиггса с b-кварками. 7 июля 2022 года эксперимент LHCb объявил об обнаружении свидетельств прямого нарушения CP-инвариантности в распаде мезона D0 на пионы.

Характеристики

Шарм-кварк — кварк типа "вверх" второго поколения. Он обладает свойством, называемым шармом, которое является квантовым числом. Согласно Обзору физики частиц за 2022 год, масса очарованного кварка составляет 1,27, заряд +e, а значение шарма равно +1. Шарм-кварк массивнее странного кварка: отношение их масс составляет примерно 11,76. Матрица CKM описывает слабое взаимодействие кварков. По данным на 2022 год, значения элементов матрицы CKM, относящиеся к шарм-кварку, следующие:

Шарм-кварки могут существовать в виде "открытых шарм-частиц", содержащих один или несколько шарм-кварков, или в виде состояний шармония — связанных состояний шарм-кварка и шарм-антикварка. Существует несколько очарованных мезонов, включая , а также очарованные барионы, такие как , , , , с различными зарядами и резонансами.

Производство и разложение

Частицы, содержащие шарм-кварки, могут быть получены в результате столкновений электронов и позитронов или при столкновениях адронов. Используя различные энергии, электронно-позитронные коллайдеры могут производить пси- или апсилон-мезоны. Адронные коллайдеры производят частицы, содержащие шарм-кварки, с большим сечением рассеяния. Бозон W также может распадаться на адроны, содержащие шарм-кварк или шарм-антикварк. Бозон Z может распадаться в чармоний посредством фрагментации шарм-кварков. Бозон Хиггса также может распадаться через тот же механизм на или . Скорость распада бозона Хиггса в чармоний "определяется связью Юкавы шарм-кварка". Шарм-кварк может распадаться в другие кварки посредством слабых взаимодействий. Шарм-кварк также аннигилирует с шарм-антикварком при распаде мезонов чармония в основном состоянии.