upsilon |
Symbol | ϒ, ϒ(1S) |
Typ | bozon |
Klasyfikacja | mezon |
Ładunek | 0 |
Masa | 9460,30±0,26 MeV/c2[1] |
Szerokość | 54,02±1,25 keV[1] |
Spin | 1– |
Generacja | 3 |
Odkryta | 1977 |
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].
Oznaczenie | Masa [MeV/c2] | Szerokość [MeV] |
---|
ϒ(1S) | 9460,30 | 0,054 |
ϒ(2S) | 10023,26 | 0,032 |
ϒ(3S) | 10355,2 | 0,020 |
ϒ(4S) | 10579,4 | 20,5 |
ϒ(10860) | 10865 | 110 |
ϒ(11020) | 11019 | 79 |
Istnieje też nie potwierdzone na razie doniesienie o odkryciu orbitalnie wzbudzonego stanu, nazwanego ϒ(1D), o masie 10161 MeV/c2[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/c2[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 χb.
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
- ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3
W.-M. Yao et al. (Particle Data Group)
, J. Phys. G 33, 1 (2006) and 2007 partial update for the 2008 edition (
ang.
)
- ↑ CLEO Collaboration (G. Bonvicini et al.), First observation of a ϒ(1D) state, Phys. Rev. D70 (2004) 032001, DOI:
10.1103/PhysRevD.70.032001
,
arXiv
:
hep-ex/0404021
(
ang.
)
- ↑ S. W. Herb et al., Observation of a Dimuon Resonance at 9.5 GeV in 400-GeV Proton-Nucleus Collisions, Phys. Rev. Lett. 39 (1977) 252, DOI:
10.1103/PhysRevLett.39.252
,
preprint
- ↑ 4,0 4,1 D.C.Horn et al., Observation of High-Mass Dilepton Pairs in Hadron Collisions at 400 GeV, Phys. Rev. Lett. 36 (1976) 1236, DOI:
10.1103/PhysRevLett.36.1236
,
preprint
- ↑ 5,0 5,1 J. Yoh,
The Discovery of the b Quark at Fermilab in 1977: The Experiment Coordinator's Story
, AIP Conf. Proc. 424 (1988) 29.
- ↑ J. K. Bienlein et al., Observation of a narrow resonance at 10.02 GeV in e+e− annihilations, Phys. Lett. B 78 (1978) 360
C. W. Darden et al., Evidence for a narrow resonance at 10.01 GeV in electron-positron annihilations, Phys. Lett. B 78 (1978) 364 - ↑ H.Schopper
Launching DORIS II and ARGUS
, prezentacja w DESY 09.11.2007
- ↑ K.Berkelman,
A Personal History of CESR and CLEO
, Cornell Univ. report CLNS 02/1784
- ↑ Donald H. Perkins: Wstęp do fizyki wysokich energii. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2005, ss. 104–110. .