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quark de encanto

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El quark encanto , quark encantado o quark c es una partícula elemental que se encuentra en partículas subatómicas compuestas llamadas hadrones , como el mesón J/psi y los bariones encantados creados en colisiones de aceleradores de partículas. Varios bosones , incluidos los bosones W y Z y el bosón de Higgs , pueden desintegrarse en quarks encanto. Todos los quarks encanto poseen encanto , un número cuántico . Esta partícula de segunda generación es el tercer quark más masivo , con una masa de1,27 ± 0,02 GeV/ c 2  según las mediciones realizadas en 2022, y una carga de  + ⁠ 2 / 3 ⁠ e . 

La existencia del quark encanto fue predicha por primera vez por James Bjorken y Sheldon Glashow en 1964, [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] y en 1970, Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maiani demostraron cómo su existencia explicaría las discrepancias experimentales y teóricas. [ 4 ] En 1974, su existencia fue confirmada a través de los descubrimientos independientes del mesón J/psi en el Laboratorio Nacional de Brookhaven y el Centro del Acelerador Lineal de Stanford . En los años siguientes, se encontraron varias otras partículas encantadas, incluyendo el mesón D y los mesones extraños encantados.

En el siglo XXI se ha descubierto un barión que contiene dos quarks encanto. Existen evidencias recientes de la existencia de quarks encanto intrínsecos en el protón , y se ha estudiado el acoplamiento entre el quark encanto y el bosón de Higgs. Asimismo, evidencias recientes indican una violación de CP en la desintegración del mesón D⁰ ,  que contiene el quark encanto.

Nomenclatura

Según Sheldon Glashow , el quark encanto recibió su nombre debido a la "simetría que aportaba al mundo subnuclear". [ 5 ] [ 6 ] Glashow también justificó el nombre como "un dispositivo mágico para evitar el mal", porque añadir el quark encanto prohibiría desintegraciones no deseadas e invisibles en la teoría de tres quarks de la época. [ 5 ] El quark encanto también se denomina "quark encantado" tanto en contextos académicos como no académicos. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] El símbolo del quark encanto es  "c". [ 10 ]

Historia

Fondo

En 1961, Murray Gell-Mann introdujo la Vía Óctuple como un patrón para agrupar bariones y mesones . [ 11 ] En 1964, Gell-Mann y George Zweig propusieron independientemente que todos los hadrones están compuestos de constituyentes elementales, que Gell-Mann llamó "quarks". [ 12 ] Inicialmente, solo se propusieron el quark arriba , el quark abajo y el quark extraño . [ 13 ] Estos quarks producirían todas las partículas de la Vía Óctuple. [ 14 ] Gell-Mann y Kazuhiko Nishijima habían establecido la extrañeza , un número cuántico, en 1953 para describir procesos que involucran partículas extrañas como Σ y Λ . [ 15 ] 

Predicción teórica

El mecanismo GIM explica la rareza de la desintegración de un K 0en dos muones involucrando al quark encanto (c) en el proceso.

En 1964, James Bjorken y Sheldon Glashow teorizaron el "encanto" como un nuevo número cuántico. [ 16 ] En ese momento, se conocían cuatro leptones : el electrón , el muón y cada uno de sus neutrinos ; pero Gell-Mann propuso inicialmente solo tres quarks. [ 6 ] Bjorken y Glashow esperaban, por lo tanto, establecer paralelismos entre los leptones y los quarks con su teoría. [ 17 ] Según Glashow, la conjetura surgió de "argumentos estéticos". [ 5 ]

En 1970, Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maiani propusieron un nuevo quark que se diferenciaba de los tres quarks conocidos hasta entonces por el número cuántico encanto . [ 4 ] [ 18 ] Además, predijeron la existencia de "partículas encantadas" y ofrecieron sugerencias sobre cómo producirlas experimentalmente. [ 19 ] También sugirieron que el quark encantado podría proporcionar un mecanismo —el mecanismo GIM— para facilitar la unificación de las fuerzas débil y electromagnética . [ 20 ]

En la Conferencia sobre Espectroscopia Experimental de Mesones (EMS) de abril de 1974, Glashow presentó su trabajo titulado "Encanto: Una invención a la espera de ser descubierta". Glashow afirmó que, dado que era probable que existieran corrientes neutras , un cuarto quark era "sólidamente necesario" para explicar la rareza de las desintegraciones de ciertos kaones . [ 21 ] También hizo varias predicciones sobre las propiedades de los quarks encanto. [ 22 ] Apostó a que, para la siguiente conferencia EMS en 1976:

Solo hay tres posibilidades:

  1. No encuentro el encanto, y me como mi sombrero.
  2. El encanto es descubierto por los espectroscopistas de hadrones, y lo celebramos.
  3. El encanto lo encuentran los forasteros, [ a ] ​​y te comes tus sombreros. [ 22 ]

En julio de 1974, en la 17ª Conferencia Internacional sobre Física de Altas Energías (ICHEP), Iliopoulos dijo:

Ya he ganado varias botellas de vino apostando por las corrientes neutras y estoy dispuesto a apostar ahora todo un caso a que si las sesiones de interacción débil de esta Conferencia estuvieron dominadas por el descubrimiento de las corrientes neutras, toda la próxima Conferencia estará dominada por el descubrimiento de las partículas encantadas. [ 24 ]

Aplicando un argumento de naturalidad a la división de masa del kaón entre los estados K ​​0 L y K 0 S , Mary K. Gaillard y Benjamin W. Lee estimaron en 1974 que la masa del quark encanto era menor que5  GeV / c2 . [ 25 ] [ 26 ]

Descubrimiento

Glashow predijo que el quark down de un protón podría absorber un W +.y convertirse en un quark encanto. Luego, el protón se transformaría en un barión encantado antes de desintegrarse en varias partículas, incluyendo un barión lambda . A finales de mayo de 1974, Robert Palmer y Nicholas P. Samios encontraron un evento que generaba un barión lambda en su cámara de burbujas en el Laboratorio Nacional de Brookhaven . [ 27 ] A Palmer le tomó meses convencerse de que el barión lambda provenía de una partícula encantada. [ 28 ] Cuando el imán de la cámara de burbujas falló en octubre de 1974, no encontraron el mismo evento. [ 21 ] Los dos científicos publicaron sus observaciones a principios de 1975. [ 29 ] [ 30 ] Michael Riordan comentó que este evento era "ambiguo" y "una evidencia alentadora pero no convincente". [ 31 ]

Mesón J/psi (1974)

En 1974, Samuel CC Ting estaba buscando partículas encantadas en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (BNL). [ 32 ] Su equipo estaba utilizando un detector de pares de electrones. [ 33 ] A finales de agosto, encontraron un pico en3,1  GeV/ c2 y el ancho de la señal fue menor que5  MeV . [ 34 ] El equipo finalmente se convenció de que habían observado una partícula masiva y la denominaron "J". Ting consideró anunciar su descubrimiento en octubre de 1974, pero pospuso el anuncio debido a su preocupación por la relación μ/π. [ 35 ]

En el Centro del Acelerador Lineal de Stanford (SLAC), el equipo de Burton Richter realizó experimentos los días 9 y 10 de noviembre de 1974. También encontraron una alta probabilidad de interacción en3,1  GeV/ c² . Llamaron a la partícula "psi". [ 36 ] El 11 de noviembre de 1974, Richter se reunió con Ting en el SLAC, [ 37 ] y anunciaron su descubrimiento. [ 38 ]

Los teóricos comenzaron inmediatamente a analizar la nueva partícula. [ 39 ] Se demostró que tenía una vida media del orden de 10 −20 segundos, lo que sugiere características especiales. [ 36 ] [ 40 ] Thomas Appelquist y David Politzer sugirieron que la partícula estaba compuesta por un quark encanto y un antiquark encanto cuyos espines estaban alineados en paralelo. Los dos llamaron a esta configuración "charmonio". [ 39 ] El charmonio tendría dos formas: "ortocharmonio", donde los espines de los dos quarks son paralelos, y "paracharmonio", donde los espines se alinean en sentido opuesto. [ 41 ] Murray Gell-Mann también creía en la idea del charmonio. [ 42 ] Algunos otros teóricos, como Richard Feynman , pensaron inicialmente que la nueva partícula consistía en un quark arriba con un antiquark encanto. [ 39 ]

El 15 de noviembre de 1974, Ting y Richter emitieron un comunicado de prensa sobre su descubrimiento. [ 43 ] El 21 de noviembre en el SLAC, SPEAR encontró una resonancia de la partícula J/psi en3,7  GeV/ c² como habían predicho Martin Breidenbach y Terence Goldman. [ 43 ] Esta partícula se denominó ψ′ ("psi-prima"). [ 44 ] A finales de noviembre, Appelquist y Politzer publicaron su artículo en el que teorizaban sobre el charmonio. Glashow y Álvaro De Rujula también publicaron un artículo titulado "¿Se ha encontrado el encanto ligado?", en el que utilizaron el quark encanto y la libertad asintótica para explicar las propiedades del mesón J/psi. [ 45 ]

Finalmente, el 2 de diciembre de 1974, Physical Review Letters (PRL) publicó los artículos sobre el descubrimiento de J y psi, de Ting [ 46 ] y Richter [ 47 ] respectivamente. [ 45 ] El descubrimiento de la psi prima se publicó la semana siguiente. [ 45 ] Luego, el 6 de enero de 1975, PRL publicó nueve artículos teóricos sobre la partícula J/psi; según Michael Riordan, cinco de ellos "promovieron la hipótesis del encanto y sus variaciones". [ 30 ] En 1976, Ting y Richter compartieron el Premio Nobel de Física por su descubrimiento "de una partícula elemental pesada de un nuevo tipo". [ 48 ]

En agosto de 1976, en The New York Times , Glashow recordó su apuesta y comentó: "El vino de John [Iliopoulos] y mi sombrero se salvaron en el último momento". [ 5 ] En la siguiente conferencia de la EMS, los espectroscopistas comieron sombreros de caramelo mexicanos proporcionados por los organizadores. [ 49 ] [ 50 ] Frank Close escribió un artículo en Nature titulado "Iliopoulos ganó su apuesta" ese mismo año, diciendo que la 18.ª ICHEP estuvo "de hecho dominada por ese mismo descubrimiento". [ 20 ] Nadie pagó sus apuestas a Iliopoulos. [ 51 ] [ 38 ]

Otras partículas encantadas (1975–1977)

En abril de 1975, EG Cazzoli et al., incluyendo a Palmer y Samios, publicaron su evidencia anterior, aunque ambigua, del barión encantado. [ 29 ] Para cuando se celebró el Simposio Leptón-Fotón en agosto de 1975, se habían descubierto ocho nuevas partículas pesadas. [ 52 ] Sin embargo, estas partículas tienen un encanto total nulo. [ 53 ] A partir del cuarto trimestre de ese año, los físicos comenzaron a buscar partículas con un encanto neto, o "desnudo". [ 54 ]

El 3 de mayo de 1976 en SLAC, Gerson Goldhaber y François Pierre identificaron unPico de 1,87  GeV/ c2 , que sugería la presencia de un mesón D encantado neutro según la predicción de Glashow. El 5 de mayo, Goldhaber y Pierre publicaron un memorándum conjunto sobre su descubrimiento del "encanto desnudo". [ 55 ] Para la 18.ª Conferencia Internacional sobre Física de Altas Energías, se habían descubierto más partículas encantadas. Riordan dijo que "surgieron pruebas sólidas del encanto en sesión tras sesión" en la conferencia, confirmando la existencia del quark encanto. [ 56 ] [ 57 ] El mesón extraño encantado fue descubierto en 1977. [ 58 ] [ 59 ]

Investigaciones posteriores y actuales

En 2002, la Colaboración SELEX en Fermilab publicó la primera observación del barión doblemente encantado Ξ + cc ("doble encantado xi+") . [ 60 ] Es una partícula de tres quarks que contiene dos quarks encantados. El equipo descubrió que los bariones doblemente encantados con un quark arriba son más masivos y tienen una tasa de producción mayor que aquellos con un quark abajo. [ 61 ]

En 2007, las colaboraciones BaBar y Belle informaron cada una evidencia de la mezcla de dos mesones encantados neutros, D 0y D 0. [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] La evidencia confirmó que la tasa de mezcla es pequeña, como predice el Modelo Estándar . [ 65 ] Ninguno de los estudios encontró evidencia de violación de CP entre las desintegraciones de las dos partículas encantadas. [ 62 ] [ 63 ]

En 2022, la Colaboración NNPDF encontró evidencia de la existencia de quarks encanto intrínsecos en el protón. [ 66 ] [ 67 ] Ese mismo año, los físicos también realizaron una búsqueda directa de desintegraciones del bosón de Higgs en quarks encanto utilizando el detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones . [ 68 ] Han determinado que el acoplamiento Higgs-encanto es más débil que el acoplamiento Higgs-fondo. [ 69 ] El 7 de julio de 2022, el experimento LHCb anunció que había encontrado evidencia de violación directa de CP en la desintegración del mesón D 0 en piones . [ 70 ]

Características

El quark encanto es un quark de tipo arriba de segunda generación . [ 7 ] [ 64 ] Lleva encanto, un número cuántico . [ 71 ] Según la Particle Physics Review de 2022 , el quark encantado tiene una masa de1,27 ± 0,02 GeV/ c²  , [ b ] una carga de + 2 / 3e y un encanto de +1. [10] El quark encanto es más masivo que el quark extraño: la relación entre las masas de ambos es aproximadamente 11,76 +0,05 −0,10 . [ 10 ]

La matriz CKM describe la interacción débil de los quarks. [ 73 ] A partir de 2022, los valores de la matriz CKM relacionados con el quark encanto son: [ 74 ]|Vcd|=0,221±0,004|Vcs|=0,975±0,006|Vcb|=0,0408±0,0014{\displaystyle {\begin{aligned}|V_{\text{cd}}|&=0.221\pm 0.004\\|V_{\text{cs}}|&=0.975\pm 0.006\\|V_{\text{cb}}|&=0.0408\pm 0.0014\end{aligned}}}

Un supermultiplete de bariones que contiene los quarks arriba, abajo, extraño y encanto con espín medio.

Los quarks encanto pueden existir como "partículas encanto abiertas", que contienen uno o varios quarks encanto, o como estados de charmonio, que son estados ligados de un quark encanto y un antiquark encanto. [ 64 ] Hay varios mesones encantados, incluido D ±y D 0. [ 75 ] Los bariones encantados incluyen Λc ,Σc ,Ξc ,Ωc , con diversas cargas yresonancias. [ 76 ]

Producción y descomposición

Las partículas que contienen quarks encanto pueden producirse mediante colisiones electrón-positrón o en colisiones hadrónicas. [ 77 ] Utilizando diferentes energías, los colisionadores electrón-positrón pueden producir mesones psi o upsilon . [ 78 ] Los colisionadores hadrónicos producen partículas que contienen quarks encanto con una sección transversal mayor . [ c ] [ 81 ] El bosón W también puede desintegrarse en hadrones que contienen el quark encanto o el antiquark encanto. [ 82 ] El bosón Z puede desintegrarse en charmonio mediante la fragmentación del quark encanto. [ 83 ] El bosón de Higgs también puede desintegrarse en J/ ψ o ηc a través del mismo mecanismo. La tasa de desintegración del bosón de Higgs en charmonio está "gobernada por elacoplamiento de Yukawa". [ 84 ]

El quark encanto puede desintegrarse en otros quarks mediante desintegraciones débiles. [ 64 ] El quark encanto también se aniquila con el antiquark encanto durante las desintegraciones de los mesones charmonio en estado fundamental. [ 64 ]

Referencias

Notas

  1. ↑ Según Riordan, la palabra "forasteros" significa "otros tipos de físicos que realizaban dispersión de neutrinos o medían colisiones electrón-positrón en anillos de almacenamiento". [ 23 ]
  2. ↑ La revista Particle Physics Review utiliza la unidad GeV en lugar de GeV/ c² . [ 10 ] Esto se debe a que la física de partículas utiliza unidades naturales , en las que la velocidad de la luz se establece en uno. [ 72 ] La revista también señala que esta masa corresponde a la masa "en movimiento" en el esquema de sustracción mínima (esquema MS). [ 10 ]
  3. ↑ Según Mark Thomson , una sección transversal en física de partículas es una medida de la probabilidad cuántica de la interacción. [ 79 ] Es la relación entre la tasa de interacción por partícula objetivo y el flujo de partículas incidentes. [ 80 ]

Citas

  1. ↑ Amati et al. 1964 .
  2. ↑ Maki y Ohnuki 1964 .
  3. ↑ Hara 1964 .
  4. ^ Glashow, Iliopoulos y Maiani 1970 , pág.1287. 
  5. 1 2 3 4 Glashow 1976 .
  6. 1 2 Riordan 1987 , pág. 210 . 
  7. 1 2 Harari 1977 , pág. 6.
  8. ↑ Riordan 1992 , pág. 1292.
  9. ↑ Levine 2017 .
  10. 1 2 3 4 5 Workman et al. 2022 , pág. 32.
  11. ↑ Griffiths 2008 , pág. 35.
  12. ↑ Griffiths 2008 , pág. 37.
  13. ↑ Griffiths 2008 , pág. 39.
  14. ↑ Griffiths 2008 , pág. 41.
  15. ↑ Griffiths 2008 , pág. 34.
  16. ^ Björken y Glashow 1964 , pág. 255.
  17. ↑ Griffiths 2008 , págs. 44–45.
  18. ^ Appelquist, Barnett y Lane 1978 , pág. 390.
  19. ^ Glashow, Iliopoulos y Maiani 1970 , pág. 1290-1291.
  20. 1 2 Close 1976 , pág. 537.
  21. 1 2 Riordan 1987 , pág. 297 . 
  22. 1 2 Rosner 1998 , pág. 14.
  23. ↑ Riordan 1987 , pág. 295 . 
  24. ↑ Iliopoulos 1974 , pág. 100.
  25. ↑ Giudice, Gian Francesco. "Hablando con naturalidad: el criterio de naturalidad y la física en el LHC". Perspectivas sobre la física del LHC (2008): 155–178.
  26. ↑ Gaillard y Lee 1974 .
  27. ↑ Riordan 1987 , págs. 295–297 . 
  28. ↑ Riordan 1987 , págs. 296.
  29. 1 2 Cazzoli et al. 1975 .
  30. 1 2 Riordan 1987 , pág. 306 . 
  31. ↑ Riordan 1987 , p. 306, "Era una evidencia alentadora, pero no convincente [...] esta era ambigua".
  32. ↑ Riordan 1987 , págs. 297–298 . 
  33. ↑ Ting 1977 , pág. 239.
  34. ↑ Ting 1977 , pág. 243.
  35. ↑ Ting 1977 , pág. 244.
  36. 1 2 Southworth 1976 , pág. 385.
  37. ↑ Southworth 1976 , págs. 385–386.
  38. 1 2 Rosner 1998 , pág. 16.
  39. 1 2 3 Riordan 1987 , pág. 300 . 
  40. ↑ Riordan 1987 , pág. 300.
  41. ↑ Riordan 1987 , pág. 304 . 
  42. ↑ Riordan 1987 , p. 300, "Murray ... piensa que el mesón vectorial encanto-antimejanza es más probable".
  43. 1 2 Riordan 1987 , pág. 301 . 
  44. ↑ Riordan 1987 , pág. 303 . 
  45. 1 2 3 Riordan 1987 , pág. 305 . 
  46. ↑ Aubert et al. 1974 .
  47. ↑ Augustin et al. 1974 .
  48. ↑ Southworth 1976 , pág. 383.
  49. ↑ Riordan 1987 , pág. 321 . 
  50. ↑ Rosner 1998 , pág. 18.
  51. ↑ Riordan 1987 , págs. 319–320 . 
  52. ↑ Riordan 1987 , págs. 310–311 . 
  53. ↑ Riordan 1987 , pág. 312 . 
  54. ↑ Riordan 1987 , pág. 317 . 
  55. ↑ Riordan 1987 , pág. 318 . 
  56. ↑ Riordan 1987 , p. 319, "En cada sesión surgían pruebas sólidas de su encanto. Ya no cabía duda".
  57. ↑ Griffiths 2008 , p. 47, "Con estos descubrimientos, la interpretación ... quedó establecida más allá de toda duda razonable. Más importante aún, el modelo de quarks en sí mismo se recuperó".
  58. ↑ Brandelik et al. 1977 .
  59. ↑ Griffiths 2008 , pág. 47.
  60. ↑ Mattson et al. 2002 .
  61. ↑ Yap 2002 .
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  70. ↑ Experimento LHCb 2022 , "Esta es la primera evidencia de violación directa de CP en una desintegración individual charm-hadrón (D 0 → π – π + ), con una significancia de 3,8 σ ".
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Bibliografía

Artículos de noticias

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Artículos de revistas

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Conferencias

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  • Gersabeck, Marco (28–31 de octubre de 2014). Introducción a la física de los encantos . Caminos originales hacia la nueva física. Freudenstadt - Lauterbad, Alemania. arXiv : 1503.00032 .
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Libros

Lecturas adicionales

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