Quarkonium

En física de partículas , el quarkonio (del griego quark y -onio , pl. quarkonia ) es un mesón sin sabor cuyos constituyentes son un quark pesado y su propio antiquark , lo que lo convierte en una partícula neutra y su propia antipartícula . El nombre "quarkonio" es análogo al positronio , el estado ligado del electrón y el antielectrón . Estas partículas tienen una vida corta debido a la aniquilación materia-antimateria .

Los quarks ligeros ( up , down y strange ) tienen mucha menos masa que los quarks más pesados, por lo que los estados físicos observados en los experimentos ( mesones η , η′ y π⁰ ) son mezclas cuánticas de los estados de los quarks ligeros. Las diferencias de masa mucho mayores entre los quarks charm y bottom y los quarks más ligeros dan ^como resultado estados bien definidos en términos de un par quark-antiquark de un sabor determinado.

Los quarkonios, estados ligados de pares de charmonio ( c c ) y bottomonio ( b b ), son sondas cruciales para estudiar el plasma de quarks y gluones desconfinado creado en colisiones de iones pesados ​​ultrarrelativistas . ^{[ 1 ]} Las familias ψ y ϒ proporcionan evidencia directa de la estructura de quarks de los hadrones , apoyan la imagen de quarks y gluones de la cromodinámica cuántica perturbativa (QCO) y ayudan a determinar el parámetro de escala de QCD.${\displaystyle \Lambda }$. La temperatura de disociación de los estados de quarkonio depende de su energía de enlace, con estados fuertemente ligados como J/ ψ y${\displaystyle \Upsilon (1S)}$fusión a temperaturas más altas en comparación con estados débilmente ligados como${\displaystyle \psi (2S)}$,${\displaystyle \chi _{c}}$para la familia del charmonium y${\displaystyle \Upsilon (2S)}$,${\displaystyle \Upsilon (3S)}$para bottomonia. Este proceso de disociación secuencial permite utilizar las probabilidades de disociación del quarkonio para estimar la temperatura del medio, suponiendo que la disociación del quarkonio es el mecanismo principal involucrado. ^{[ 2 ]}

Debido a la alta masa, los quarks top decaen a través de la interacción electrodébil antes de que se pueda formar un estado ligado. Sin embargo, cerca del umbral de producción de pares, emerge un estado pseudoligado, lo que produce un aumento que se asemeja a un pico de resonancia. Este estado pseudoligado a veces se interpreta como toponio . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Armonio

En la siguiente tabla, la misma partícula puede denominarse mediante la notación espectroscópica o mediante su masa. En algunos casos se utilizan series de excitación: ψ′ es la primera excitación de ψ (que, por razones históricas, se denomina partícula J/ ψ ); ψ″ es la segunda excitación, y así sucesivamente. Es decir, los nombres en la misma celda son sinónimos.

Algunos de los estados se predicen, pero no se han identificado; otros no están confirmados. Los números cuánticos de la partícula X(3872) fueron medidos en 2013 por el experimento LHCb en el CERN. ^{[ 5 ]} Esta medición arrojó algo de luz sobre su identidad, excluyendo la tercera opción entre las tres contempladas, que son:

• un estado híbrido de charmonio
• un D ⁰D ^{∗ 0}molécula
• un candidato para el estado 1 ¹ D ₂

En 2005, el experimento BaBar anunció el descubrimiento de un nuevo estado: Y(4260) . ^{[ 6 ] [ 7 ]} Desde entonces, CLEO y Belle han corroborado estas observaciones. Al principio, se pensó que Y(4260) era un estado de charmonio, pero la evidencia sugiere explicaciones más exóticas, como una "molécula" D, una construcción de 4 quarks o un mesón híbrido .

Notas:

[ _* ] Necesita confirmación.

[†] No se favorece la interpretación como un estado de charmonio 1 ^{− − .}

[‡] Predicho, pero aún no identificado.

Bottomonio

En la siguiente tabla, la misma partícula puede denominarse mediante la notación espectroscópica o mediante su masa. Algunos de los estados se predicen, pero no se han identificado; otros no están confirmados.

Notas :

[ _* ] Resultados preliminares. Se requiere confirmación.

El estado ϒ (1S) fue descubierto por el equipo del experimento E288 , dirigido por Leon Lederman , en Fermilab en 1977, y fue la primera partícula que contenía un quark bottom en ser descubierta. El 21  de diciembre de 2011, el χ_{El estado b2} (3P) fue la primera partícula descubierta en elGran Colisionador de Hadrones; el artículo del descubrimiento se publicó por primera vez enarXiv.^[11][12]En abril de 2012,el experimento DØ del Tevatronconfirmó el resultado en un artículo publicado enPhysical Review D.[^13][14]Los estadosJ= 1 yJ= 2 fueron resueltos por primera vez por elexperimento CMSen 2018.^[10]

Toponio

El toponio es un estado ligado de un quark top (${\displaystyle t}$) y su antipartícula, el antiquark top (${\displaystyle {\bar {t}}}$). ^{[ 15 ]} Mientras que la teoría de calibre estándar predice la existencia de la${\displaystyle t}$-quark, para completar la tercera familia quark-leptón, intenta observar toponio${\displaystyle (t{\bar {t}})}$han sido infructuosos. La rápida desintegración del quark top y la gran dispersión en la energía del haz presentan desafíos experimentales significativos. ^{[ 16 ] [ 17 ]} A pesar de esto, las búsquedas continúan a través de métodos indirectos, como la detección de productos de desintegración específicos o anomalías que indican pares de quarks top. El estudio de las desintegraciones de toponio ofrece un enfoque prometedor para buscar partículas de Higgs con masas de hasta aproximadamente 70 GeV, mientras que búsquedas similares en desintegraciones de bottomonio podrían extender este rango a 160 GeV. Además, el estudio de las anchuras de desintegración de gluones en quarkonios ligeros puede ayudar a determinar el parámetro de escala de la cromodinámica cuántica (QCD). ^{[ 18 ]}

En abril de 2025, al analizar una muestra de 138  fb ⁻¹ de colisiones de 2016 a 2018, el experimento CMS en el LHC informó un exceso de pares top-antitop en el umbral de producción de top-antitop con una significancia estadística mayor que 5 σ. ^{[ 19 ] [ 20 ]} El exceso es compatible con un mesón pseudoescalar top-antitop cuasi-ligado conocido como toponio.

El cálculo de las propiedades de los mesones en cromodinámica cuántica (QCD) es completamente no perturbativo . Por consiguiente, el único método general disponible es el cálculo directo mediante técnicas de QCD reticular (LQCD). Sin embargo, para el quarkonio pesado, otras técnicas también resultan eficaces.

Los quarks ligeros en un mesón se mueven a velocidades relativistas , ya que la masa del estado ligado es mucho mayor que la masa del quark. Sin embargo, la velocidad de los quarks encanto y fondo en sus respectivos quarkonios es suficientemente pequeña como para que los efectos relativistas en estos estados se reduzcan considerablemente. Se estima que la velocidad,${\displaystyle \mathbf {v} }$, es aproximadamente 0,3  veces la velocidad de la luz para charmonia y aproximadamente 0,1  veces la velocidad de la luz para bottomonia. El cálculo puede entonces aproximarse mediante una expansión en potencias de${\displaystyle \mathbf {v} /c}$y${\displaystyle v^{2}/c^{2}}$Esta técnica se denomina QCD no relativista (NRQCD).

La NRQCD también se ha cuantizado como una teoría de gauge en la red , lo que proporciona otra técnica para los cálculos de LQCD. Se ha encontrado una buena concordancia con las masas del bottomonio, lo que constituye una de las mejores pruebas no perturbativas de la LQCD. Para las masas del charmonio, la concordancia no es tan buena, pero la comunidad de LQCD trabaja activamente para mejorar sus técnicas. También se está trabajando en el cálculo de propiedades como las anchuras de los estados de quarkonios y las tasas de transición entre los estados.

Una técnica temprana, pero aún efectiva, utiliza modelos del potencial efectivo para calcular las masas de los estados de quarkonio. En esta técnica, se utiliza el hecho de que el movimiento de los quarks que componen el estado de quarkonio no es relativista para suponer que se mueven en un potencial estático, de forma muy similar a los modelos no relativistas del átomo de hidrógeno. Uno de los modelos de potencial más populares es el llamado potencial de Cornell (o de embudo ) : ^{[ 21 ]}

${\displaystyle V(r)=-{\frac {a}{r}}+b\,r,}$

dónde${\displaystyle r}$es el radio efectivo del estado quarkonio,${\displaystyle a}$y${\displaystyle b}$son parámetros.

Este potencial tiene dos partes. La primera parte,${\displaystyle a/r}$, corresponde al potencial inducido por el intercambio de un gluón entre el quark y su antiquark, y se conoce como la parte coulombiana del potencial, ya que su${\displaystyle 1/r}$Su forma es idéntica al conocido potencial de Coulomb inducido por la fuerza electromagnética.

La segunda parte,${\displaystyle b\,r}$, se conoce como la parte de confinamiento del potencial, y parametriza los efectos no perturbativos poco comprendidos de la QCD. Generalmente, al usar este enfoque, se toma una forma conveniente para la función de onda de los quarks, y luego${\displaystyle a}$y${\displaystyle b}$Se determinan ajustando los resultados de los cálculos a las masas de estados de quarkonio bien medidos. Los efectos relativistas y de otro tipo pueden incorporarse a este enfoque añadiendo términos adicionales al potencial, de forma similar a como se hace con el átomo de hidrógeno modelo en la mecánica cuántica no relativista.

Esta forma se derivó de QCD hasta${\displaystyle {\mathcal {O}}(\Lambda _{\text{QCD}}^{3}\,r^{2})}$por Sumino (2003). ^{[ 22 ]} Es popular porque permite predicciones precisas de los parámetros del quarkonio sin un cálculo de red extenso, y proporciona una separación entre los efectos coulombianos de corta distancia y los efectos de confinamiento de larga distancia que pueden ser útiles para comprender la fuerza quark/antiquark generada por QCD.

Se ha sugerido que los quarkonios son una herramienta de diagnóstico para la formación del plasma de quarks y gluones : tanto su desaparición como su aumento, dependiendo del rendimiento de quarks pesados ​​en el plasma, pueden ocurrir.

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