Очарованный барион
 |
Очарованные барионы — это категория сложных частиц, состоящая из всех барионов, состоящих хотя бы из одного очаровательного кварка . Со времени их первого наблюдения в 1970-х годах было идентифицировано большое количество различных очарованных барионных состояний. Наблюдаемые очарованные барионы имеют массы в диапазоне от 2300 до 2700 МэВ/ c. 2 . В 2002 году коллаборация SELEX , базирующаяся в Фермилабе, опубликовала доказательства существования дважды очарованного бариона (
Х
cc ), содержащий два очаровательных кварка) с массой ~ 3520 МэВ/ c 2 , но еще не подтверждено другими экспериментами. Один трижды очарованный барион (
Ой
ccc ) было предсказано, но еще не наблюдалось.
Номенклатура
[ редактировать ]Номенклатура очарованных барионов основана как на кварков содержании , так и на изоспине . Именование соответствует правилам, установленным Particle Data Group .
- Очарованные барионы, состоящие из одного очарованного кварка и двух верхних, одного верхнего и одного нижнего или двух нижних кварков , известны как очарованные лямбды (
л
c , изоспин 0) или очарованные сигмы (
С
в , изоспин 1). - Очарованные барионы изоспина, состоящие из одного очарованного кварка и одного верхнего или нижнего кварка, известны как очарованные Xis (
Х
в ) и все имеют изоспин 1 / 2 . - Очарованные барионы, состоящие из одного очарованного кварка и не имеющих ни верхних, ни нижних кварков, называются очарованными омегой (
Ой
в ) и все они имеют изоспин 0. - Очарованные барионы, состоящие из двух очарованных кварков и одного верхнего или нижнего кварка, называются дважды очарованными Xis (
Х
cc ) и все они имеют изоспин 1 / 2 ). - Очарованные барионы, состоящие из двух очарованных кварков и не имеющих верхних и нижних кварков, называются дважды очарованными Омега (
Ой
cc ), и все они имеют изоспин 0. - Очарованные барионы, состоящие из трех очарованных кварков, называются тройно очарованными омегой (
Ой
ccc ), и все они имеют изоспин 0.
Заряд указывается верхними индексами. Содержание тяжелых кварков ( нижних , шармовых или верхних кварков ) указывается нижними индексами. Например,
Х +
cb состоит из одного нижнего, одного очарованного кварка, и это можно вывести из заряда очарования (+ 2 / 3 e ) и нижний кварк (− 1 / 3 e) что другой кварк должен быть верхним кварком (+ 2/3 д ) . используются звездочки или штрихи Иногда для обозначения резонанса .
Характеристики
[ редактировать ]Важные параметры очарованных барионов, подлежащие изучению, состоят из четырех свойств. Это, во-первых, масса, во-вторых, время жизни для частиц с измеримым временем жизни, в-третьих, собственная ширина Гейзенберга (те частицы, жизнь которых слишком коротка для измерения, имеют измеримую «ширину» или разброс по массе из-за принципа неопределенности ) и, наконец, их режимы распада. Сборники их измерений можно найти в публикациях Группы данных о частицах.
Производство и обнаружение
[ редактировать ]Очарованные барионы образуются в результате столкновений частиц высоких энергий, например тех, которые производятся ускорителями частиц . Общий метод их обнаружения — обнаружить продукты их распада, определить, что это за частицы, и измерить их импульсы . Если все продукты распада найдены и правильно измерены, то можно вычислить массу родительской частицы. Например, благоприятный распад
л +
c состоит из протона , каона и пиона . Импульсы этих (довольно стабильных) частиц измеряются детектором и с использованием обычных правил четырехимпульсов с использованием правильных релятивистских уравнений это дает меру массы родительской частицы.
При столкновениях частиц довольно часто образуются протоны, каоны и пионы, и только часть этих комбинаций образуется из очарованного бариона. Таким образом, важно измерить множество таких комбинаций. График рассчитанной родительской массы тогда будет иметь пик на массе
л +
c , но это в дополнение к гладкому фону « фазового пространства ». Ширина пика будет определяться разрешением детектора при условии, что очарованный барион достаточно стабилен (например,
л +
c, время жизни которого составляет около (2 ± 10) × 10 −13 с ). Другие, более высокие состояния очарованных барионов, которые распадаются в результате сильного взаимодействия , обычно имеют большие собственные ширины. Из-за этого пик менее четко выделяется на фоне фоновых сочетаний. Первые наблюдения частиц этим методом, как известно, сложны: чрезмерная интерпретация статистических флуктуаций или эффектов, вызывающих ложные «пики», приводит к тому, что некоторые опубликованные результаты позже оказались ложными. Однако, благодаря большему количеству данных, собранных в результате большего числа экспериментов за прошедшие годы, спектроскопия очарованных барионных состояний теперь достигла зрелого уровня.
Очарованная лямбда+ история
[ редактировать ]Первым открытым очарованным барионом был
л +
в . Не совсем ясно, когда частица была впервые обнаружена; был проведен ряд экспериментов, в которых были опубликованы доказательства существования этого состояния, начиная с 1975 года, но сообщаемые массы часто были ниже, чем известное сейчас значение. С того времени,
л +
c были произведены и изучены во многих экспериментах, особенно в экспериментах с фиксированной целью (таких как FOCUS и SELEX) и
и −
и +
B-фабрики ( ARGUS , CLEO , BABAR и BELLE ).
Масса
[ редактировать ]Окончательное измерение массы было проведено в эксперименте BaBar, который сообщил о массе 2 286,46 МэВ/ с. 2 с небольшой неопределенностью. Для сравнения: он более чем в два раза тяжелее протона . Избыточную массу легко объяснить большой составляющей массой очарованного кварка, которая сама по себе больше, чем у протона.
Продолжительность жизни
[ редактировать ]Время жизни
л +
c измеряется почти точно 0,2 пикосекунды. Это типичное время жизни частиц, распадающихся в результате слабого взаимодействия , с учетом большого доступного фазового пространства. Измерение срока службы основано на результатах ряда экспериментов, в частности FOCUS, SELEX и CLEO.
Распад
[ редактировать ]The
л +
c распадается на множество различных конечных состояний в соответствии с правилами слабых распадов. Распад на протон, каон и пион (каждый из которых заряжен) является фаворитом экспериментаторов, поскольку его особенно легко обнаружить. На его долю приходится около 5% всех распадов; было измерено около 30 различных режимов распада. Исследования этих коэффициентов ветвления позволяют теоретикам распутать различные фундаментальные диаграммы, способствующие распаду.и является окном в физику слабого взаимодействия.
Орбитальные возбуждения
[ редактировать ]Модель кварков вместе с квантовой механикой предсказывает, что должны существовать орбитальные возбуждения
л +
с частицы . Самым низким из этих состояний являются состояния, в которых два легких кварка (верхний и нижний) объединяются в состояние со спином 0, добавляется одна единица орбитального углового момента, и это в сочетании с собственным спином очаровательного кварка образует 1 / 2 , 3/2 пары частиц . Высший из них (
л +
c (2625)) был открыт в 1993 году компанией ARGUS. Сначала было неясно, какое состояние было обнаружено, но последующее открытие CLEO нижнего состояния (2593) прояснило ситуацию. Моды распада, массы, измеренные ширины и распады через два заряженных пиона, а не через один заряженный и один нейтральный пион, — все это подтверждает идентификацию состояний.
Содержание очарованного сигма-кварка
[ редактировать ]Как отмечалось выше, очарованные сигма-частицы, такие как
л +
Частицы c состоят из очаровательного кварка и двух светящихся верхних , нижних и странных кварков. Однако,
С
c- частицы имеют изоспин 1. Это эквивалентно утверждению, что они могут существовать в трех заряженных состояниях: двухзарядном, однозарядном и нейтральном. Ситуация прямо аналогична странной барионной номенклатуре. основное состояние барионов (то есть без орбитального углового момента Таким же образом можно представить и ). Каждый кварк представляет собой частицу со спином 1/2. Вращения могут быть направлены вверх или вниз. В
л +
В основном состоянии два легких кварка направлены вверх-вниз, образуя дикварк с нулевым спином . Затем он соединяется с очаровательным кварком, образуя частицу со спином 1/2. В
С
c два легких кварка объединяются, образуя дикварк со спином 1, который затем объединяется с очаровательным кварком, образуя либо частицу со спином 1/2, либо частицу со спином 3/2 (обычно известную как частица со спином 1/2).
С ∗
в ). Именно правила квантовой механики делают возможным
л
c существовать только с тремя разными кварками (то есть cud-кварками), тогда как
С
c может существовать как cuu, cud или cdd (таким образом, это три разных заряда).
Все
С
c- частицы распадаются под действием сильного взаимодействия . Обычно это означает испускание пиона при его распаде до сравнительно стабильного состояния.
л +
в . Таким образом, их массы обычно измеряются не напрямую, а через разность масс m(
С
в )−m(
л +
в ). Это экспериментально легче точно измерить и теоретически легче предсказать, чем абсолютное значение массы.
С
в (2455) история и масса
[ редактировать ] Самая низкая масса
С
c было присвоено имя «2455» Группой данных о частицах, используя их соглашение, согласно которому сильно распадающиеся частицы известны по грубому значению их массы. Его искали с первых дней изучения очарованных барионов. Отдельные события в пузырьковых камерах несколько раз рекламировались в экспериментах как свидетельство существования частиц, но неясно, как одно событие такого рода можно использовать в качестве доказательства резонанса. Еще в 1979 году появились убедительные доказательства двойного обвинения в результате сотрудничества Колумбии и Брукхейвена. В 1987–89 годах серия экспериментов (E-400 в Фермилабе, ARGUS и CLEO ) с гораздо большей статистикой обнаружила четкие доказательства как двухзарядного, так и нейтрального состояний (хотя нейтральное состояние E-400 оказалось ложным). сигнал). Стало ясно, что разница масс m (
С
в ) - м (
л +
в ) составляет около 168 МэВ/ c 2 . Однозарядное состояние было труднее обнаружить не потому, что его сложнее создать, а просто потому, что его распад через нейтральный пион имеет больший фон и худшее разрешение при обнаружении большинством детекторов частиц. Он не был найден (за исключением отчета об одном событии) с помощью CLEO до 1993 года.
Собственная ширина
С
c мала по стандартам большинства сильных распадов, но теперь измерено, по крайней мере для нейтрального и двухзарядного состояний, и составляет около 2 МэВ/ с. 2 детекторами CLEO и FOCUS .
Следующее состояние по массе — это спин. 3/2 состояние , обычно известное как
С ∗
с или
С
с (2520). Они явно будут «шире» из-за дополнительного фазового пространства их распада, что, как и
С
c (2455) соответствует одному пиону плюс основное состояние
л
в . Опять же, необходима большая статистика, чтобы заявить о сигнале, превышающем большое количество
л
в -
п
пары, которые производятся. Опять же, нейтральные и двухзарядные состояния легче обнаружить экспериментально, и они были открыты в 1997 году коллаборацией CLEO. Государству, которому предъявлено единственное обвинение, пришлось ждать до 2001 года, пока они собрали больше данных.
Х
c история и масса
[ редактировать ] В стандартной кварковой модели
Х +
c включает комбинацию кварков csu и
Х 0
c содержит комбинацию кварков csd. Обе частицы распадаются за счет слабого взаимодействия. Первое наблюдение за
Х +
c был в 1983 году коллаборацией WA62, работавшей в ЦЕРН . Они обнаружили значительный пик в режиме распада.
л
К −
п +
п +
при массе 2460 ± 25 МэВ/ c 2 . Настоящее значение массы взято в среднем из 6 экспериментов и составляет ± 2467,9 . 0,4 МэВ/ с 2 .
The
Х 0
c был открыт в 1989 году CLEO, который измерил пик в режиме распада
Х −
п +
с массой 2471 ± 5 МэВ/ c 2 . Принятое значение 2 471,0 0,4 ± МэВ/ с. 2 .
История и масса Зачарованной Омеги
[ редактировать ]Неудивительно, что из четырех слабо распадающихся одиночно очарованных барионов
Ой
c (комбинация css-кварков) была обнаружена последней и наименее изучена. Его история туманна. Некоторые авторы утверждают, что в 1985 году группа из трех событий, наблюдавшаяся в ЦЕРНе, была сигналом, но теперь это можно исключить на основании неправильной массы. Эксперимент ARGUS опубликовал небольшой пик в качестве возможного сигнала в 1993 году, но теперь его можно исключить на основании перекрестного сечения, поскольку многие эксперименты проводились в той же среде, что и ARGUS, с гораздо большим количеством столкновений. В ходе эксперимента E-687 в Фермилабе были опубликованы две статьи: одна в 1993 году, а другая в 1994 году. Первая показала небольшой пик незначительной значимости в режиме распада.
Ой
п
и более крупный, очевидно устойчивый сигнал в режиме затухания
С +
К −
К −
п +
. Это последнее наблюдение считается действительным Группой данных о частицах, но оно кажется все более странным, поскольку этот режим распада не наблюдался в других экспериментах. Затем эксперимент CLEO показал пик из 40 событий в сумме различных мод распада и массой 2 494,6 МэВ/ с. 2 . С тех пор два эксперимента, BaBar и Belle , собрали много данных и показали очень сильные сигналы с массой, очень похожей на значение CLEO. Однако ни один из них не провел необходимых исследований, чтобы иметь возможность цитировать массу с неопределенностью. Поэтому, хотя нет никаких сомнений в том, что частица была обнаружена, точных измерений ее массы не существует.