Bottomonium

upsilon
Klasyfikacja	mezon
Typ	bozon
Generacja	3
Symbol	ϒ, ϒ(1S)
Odkryta	1977
Ładunek	0
Masa	9460,30±0,26 MeV/c²
Szerokość	54,02±1,25 keV
Spin	1−
Generacja	3

Bottomonium – ciężki mezon, złożony z kwarku i antykwarku spodniego (zwanego też pięknym) $b.$ Pierwszym odkrytym stanem jest wektorowy mezon ϒ (ypsilon, fizycy zazwyczaj wymawiają jako „upsilon”), ściślej ϒ(1S). Historycznie była to pierwsza odkryta cząstka zawierająca kwark trzeciej generacji.

Jest przykładem stanu zwanego kwarkonium, czyli stanu związanego kwarku i jego antykwarku. Jest w związku z tym swoją własną antycząstką. Lekkie stany mają małą szerokość (stosunkowo długi czas życia), ze względu na regułę OZI.

Stany

Znanych jest szereg stanów bottomonium, oznaczanych η_b, $h_{b},$ $\Upsilon$ i $\chi _{b}.$ Poniższa tabela porównuje ich własności^[2].

Oznaczenie	Masa [MeV/c²]	Szerokość [MeV]
η_b(1S)	9398,0±3,2	11⁺⁶₋₄
ϒ(1S)	9460,30±0,26	0,05402±0,00125
χ_b0(1P)	9859,44±0,42±0,31
χ_b1(1P)	9892,78±0,26±0,31
h_b(1P)	9899,3±1,0
χ_b2(1P)	9912,21±0,26±0,31
η_b(2S)	9999±4	<24
ϒ(2S)	10023,26±0,31	0,03198±0,00263
ϒ(1D)	10163,7±1,4
χ_b0(2P)	10232,5±0,4±0,5
χ_b1(2P)	10255,46±0,22±0,50
h_b(2P)	10259,8±1,2
χ_b2(2P)	10268,65±0,22±0,50
ϒ(3S)	10355,2±0,5	0,02032±0,00185
χ_b(3P)	10534±9
ϒ(4S) lub Υ(10580)	10579,4±1,2	20,5±2,5
X(10610)^± lub Z^b(10610)^[3]	10607,2±2,0	18,4±2,4
X(10650)^± lub Z^b(10650)^[3]	10652,2±1,5	11,5±2,2
ϒ(10860)	10876±11	55±28
ϒ(11020)	11019±8	79±16

Znany jest jeden orbitalnie wzbudzony stan mezonu ϒ (J^P = 2⁻), nazwany ϒ(1D)^[4].

Naładowane cząstki Z^b(10610) i Z^b(10650) to prawdopodobnie tetrakwarki zawierające kwark denny i antydenny, o czym świadczą ich rozpady na stan bottomonium i naładowany lekki mezon^[3].

Historia odkrycia i badań

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

Pierwsze doniesienie o odkryciu cząstki ypsilon zostało opublikowane w styczniu 1976 przez zespół E288 z Fermilabu, pracujący pod kierunkiem Leona Ledermana. Okazało się ono jednak błędne i zostało nazwane żartobliwie „Oops-Leon”.

Cząstka ypsilon została ostatecznie odkryta w roku 1977 przez ten sam zespół^[5]. W eksperymencie analizowano 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:

\Upsilon \to \mu ^{+}\mu ^{-}.

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, $\Upsilon '$ (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 $b{\overline {b}},$ nazwanych χ_b.

LHC

Stan χ_b (3P) (w niesformatowanym tekście ASCII chi_b (3P)) bottomonium był pierwszą cząstką odkrytą w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Artykuł o tym odkryciu został wysłany do arXiv 21 grudnia 2011^[9]^[10] i opublikowany w kwietniu 2012 r. w czasopiśmie „Physical Review Letters”^[11].

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^[12].

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]:

\Upsilon (4S)\to B^{+}B^{-}

lub

\Upsilon (4S)\to B^{0}{\overline {B}}{}^{0}.

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

↑ ^a ^b ^c W.-M. Yao et al. (Particle Data Group), J. Phys. G 33, 1 (2006) and 2007 partial update for the 2008 edition (ang.).
↑ bb MESONS. pdg Live. [dostęp 2014-05-30].
↑ ^a ^b ^c Zhi-GangZ.G. Wang Zhi-GangZ.G., TaoT. Huang TaoT., The Z_b(10610) and Z_b(10650) as axial-vector tetraquark states in the QCD sum rules, „Nuclear Physics A”, 930, 2014, s. 63–85, DOI: 10.1016/j.nuclphysa.2014.08.084, arXiv:1312.2652 [hep-ph] (ang.).
↑ CLEO Collaboration (G. Bonvicini et al.), First observation of a ϒ(1D) state, „Physical Review D”, 70 (3), 2004, s. 032001, DOI: 10.1103/PhysRevD.70.032001, arXiv:hep-ex/0404021 (ang.).
↑ S.W.S.W. Herb S.W.S.W. i inni, Observation of a Dimuon Resonance at 9.5 GeV in 400-GeV Proton-Nucleus Collisions, „Physical Review Letters”, 39 (5), 1977, s. 252–255, DOI: 10.1103/PhysRevLett.39.252, preprint .
↑ 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.
↑ Jonathan Amos: LHC reports discovery of its first new particle. BBC. (ang.).
↑ [1112.5154] Observation of a new chi_b state in radiative transitions to Upsilon(1S) and Upsilon(2S) at ATLAS [online], arxiv.org, 21 grudnia 2011 (ang.).
↑ G. Aad et al. (ATLAS Collaboration). Observation of a New χ_b State in Radiative Transitions to Y(1S) and Y(2S) at ATLAS. „Physical Review Letters”. 108 (15). s. 152001. DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.152001.
↑ Donald H. Perkins: Wstęp do fizyki wysokich energii. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2005, s. 104–110. ISBN 83-01-14246-4.

[PDG-1] W.-M. Yao et al. (Particle Data Group), J. Phys. G 33, 1 (2006) and 2007 partial update for the 2008 edition (ang.).

[2] MESONS. pdg Live. [dostęp 2014-05-30].

[tetrakwarki-3] Zhi-GangZ.G. Wang Zhi-GangZ.G., TaoT. Huang TaoT., The Z_b(10610) and Z_b(10650) as axial-vector tetraquark states in the QCD sum rules, „Nuclear Physics A”, 930, 2014, s. 63–85, DOI: 10.1016/j.nuclphysa.2014.08.084, arXiv:1312.2652 [hep-ph] (ang.).

[4] CLEO Collaboration (G. Bonvicini et al.), First observation of a ϒ(1D) state, „Physical Review D”, 70 (3), 2004, s. 032001, DOI: 10.1103/PhysRevD.70.032001, arXiv:hep-ex/0404021 (ang.).

[5] S.W.S.W. Herb S.W.S.W. i inni, Observation of a Dimuon Resonance at 9.5 GeV in 400-GeV Proton-Nucleus Collisions, „Physical Review Letters”, 39 (5), 1977, s. 252–255, DOI: 10.1103/PhysRevLett.39.252, preprint .

[6] 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.

[7] H.Schopper Launching DORIS II and ARGUS, prezentacja w DESY 09.11.2007.

[8] K. Berkelman, A Personal History of CESR and CLEO, Cornell Univ. report CLNS 02/1784.

[9] Jonathan Amos: LHC reports discovery of its first new particle. BBC. (ang.).

[arxivchib3p-10] [1112.5154] Observation of a new chi_b state in radiative transitions to Upsilon(1S) and Upsilon(2S) at ATLAS [online], arxiv.org, 21 grudnia 2011 (ang.).

[physrevlett-11] G. Aad et al. (ATLAS Collaboration). Observation of a New χ_b State in Radiative Transitions to Y(1S) and Y(2S) at ATLAS. „Physical Review Letters”. 108 (15). s. 152001. DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.152001.

[12] Donald H. Perkins: Wstęp do fizyki wysokich energii. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2005, s. 104–110. ISBN 83-01-14246-4.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]