Mezon ϒ (ypsilon, fizycy zazwyczaj wymawiają jako "upsilon") – ciężki mezon wektorowy, złożony z kwarku i antykwarku spodniego (zwanego też pięknym) b. Jest przykładem stanu zwanego kwarkonium , czyli stanu związanego kwarku i jego antykwarku. Jest w związku z tym swoją własną antycząstką . Historycznie była to pierwsza odkryta cząstka zawierająca kwark trzeciej generacji.

Znanych jest szereg stanów radialnie wzbudzonych tego mezonu. Poniższa tabela porównuje własności stanu podstawowego, oznaczanego czasem ϒ(1S) i znanych stanów wzbudzonych^[1].

Istnieje też nie potwierdzone na razie doniesienie o odkryciu orbitalnie wzbudzonego stanu, nazwanego ϒ(1D), o masie 10161 MeV/c^2[2].

Historia odkrycia i badań

Wykres masy niezmienniczej pary mionów w eksperymencie E288. "Górka" nieco poniżej 10 GeV pochodzi z rozpadu mezonu ϒ.

Cząstka została odkryta w roku 1977 ^[3] w Fermilabie przez zespół E288 pracujący pod kierunkiem Leona Ledermana . Eksperyment analizował 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:

.

„Oops-Leon”

Powyższe odkrycie nie było pierwszym doniesieniem o cząstce nazwanej ϒ. W styczniu 1976 roku ten sam zespół eksperymentu E288 dosiósł o odkryciu nowej cząstki o masie około 6 GeV/c^2[4]. Doniesienie opierało się na analizie masy niezmienniczej par elektron - pozyton produkowanych w zdarzeniach protonów z tarczą berylową .

rozkład masy niezmienniczej par elektron-pozyton z pracy^[4]

Na wykresie zaobserwowano tendencję do grupowania się przypadków w okolicy 6 GeV. Prawdopodobieństwo przypadkowego zgrupowania przypadków w taki sposób zostało oszacowane na poniżej 2%, zespół zdecydował się więc na publikację odkrycia.

W ciągu następnych miesięcy, po zebraniu dalszych danych, okazało się, że zgrupowanie było jednak dziełem takiego mało prawdopodobnego przypadku. Zespół musiał wycofać doniesienie. Nieistniejąca „cząstka” została żartobliwie nazwana „Oops-Leon” – co jest grą słów wokół imienia lidera zespołu, a jednocześnie w angielskiej wymowie brzmi podobnie do „Upsilon”^[5].

Historia ta przyczyniła się prawdopodobnie do opóźnienia ogłoszenia rzeczywistego odkrycia cząstki ϒ: już w listopadzie 1976 zespół E288 widział zgrupowanie przypadków wokół 9,5 GeV^[5], bardziej statystycznie znaczące niż „Oops-Leon”. Zdecydowano jednak, by zaczekać z ogłoszeniem na wyniki planowanych na pierwsze półrocze roku 1977 pomiarów przy większej intensywności wiązki. Dopiero gdy ten pomiar potwierdził istnienie cząstki, zespół zdecydował się na publikację odkrycia.

Eksperymenty elektron-pozyton

Zderzenia elektronów z pozytonami (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, ϒ ’ (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 bb, nazwanych χ_b.

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^[9].

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]:

lub

.

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