Кварконий

Кварко́ний — вид мезона, состоящий из кварка и антикварка одного и того же аромата^[1]. Примерами таких частиц являются J/ψ-мезон (состояние чармония, cc) и ϒ-мезон (состояние боттомония, bb). Реальное связанное состояние t-кварка и антикварка — топоний, или тэта-мезон — не существует, поскольку t-кварк распадается путём слабого взаимодействия прежде, чем может сформироваться связанное состояние (однако может существовать виртуальная пара tt). Обычно термин «кварконий» употребляется только применительно к тяжёлым ароматам. Это связано с тем, что физические состояния лёгких кварков (u, d и s), наблюдаемые в эксперименте, представляют собой квантово-механические суперпозиции всех ароматов. Большое различие в массах очарованного и прелестного кварков и лёгких ароматов приводит к тому, что состояния первых хорошо описываются в терминах кварк-антикварковых пар одного аромата.

Состояния чармония

См. также: J/ψ-мезон

В представленной таблице одни и те же частицы могут быть названы с использованием спектроскопической нотации или путём указания их массы. В некоторых случаях используются серии возбуждений: Ψ' — первое возбуждение Ψ (исторически это состояние называется J/ψ), Ψ" — второе возбуждение и т. д.

Некоторые состояния предсказаны, но пока не обнаружены; другие не подтверждены. Квантовые числа частицы X(3872) неизвестны, по поводу её структуры идёт дискуссия. Это может быть

• кандидат в состояние 1¹D₂;
• гибридное состояние чармония;
• молекула $D^0\bar D^{*0}.$

В 2005 г. в эксперименте BaBar объявили об открытии нового состояния Y(4260).^[2][3] Эксперименты CLEO и Belle также подтвердили его существование. Первоначально считалось, что это состояние чармония, однако имеются свидетельства более экзотической природы этой частицы, например молекула D-мезонов, система 4-х кварков или гибридный мезон.

Терм n2S + 1LJ	IG(JPC)	Частица	Масса (МэВ/c²) [1]
11S0	0+(0−+)	ηc(1S)	2980,3 ± 1,2
1³S1	0−(1−−)	J/ψ(1S)	3096,916 ± 0,011
11P1	0−(1+−)	hc(1P)	3525,93 ± 0,27
1³P0	0+(0++)	χc0(1P)	3414,75 ± 0,31
1³P1	0+(1++)	χc1(1P)	3510,66 ± 0,07
1³P2	0+(2++)	χc2(1P)	3556,20 ± 0,09
21S0	0+(0−+)	ηc(2S) или η′c	3637 ± 4
2³S1	0−(1−−)	ψ(3686)	3686,09 ± 0,04
11D2	0+(2−+)	ηc2(1D)†
1³D1	0−(1−−)	ψ(3770)	3772,92 ± 0,35
1³D2	0−(2−−)	ψ2(1D)
1³D3	0−(3−−)	ψ3(1D)†
21P1	0−(1+−)	hc(2P)†
2³P0	0+(0++)	χc0(2P)†
2³P1	0+(1++)	χc1(2P)†
2³P2	0+(2++)	χc2(2P)†
????	0?(??)†	X(3872)	3872,2 ± 0,8
????	??(1−−)	Y(4260)	4260+8−9

Примечания:

^* Требует подтверждения.

^† Предсказан, но пока не обнаружен.

^† Интерпретируется как состояние чармония 1⁻⁻.

Состояния боттомония

См. также: ϒ-мезон

В представленной таблице одни и те же частицы могут быть названы с использованием спектроскопической нотации или путём указания их массы.

Некоторые состояния предсказаны, но пока не обнаружены; другие не подтверждены.

Терм n2S + 1LJ	IG(JPC)	Частица	Масса (МэВ/c²) [2]
11S0	0+(0−+)	ηb(1S)	9388,9+3,1−2,3
1³S1	0−(1−−)	Υ(1S)	9460,30 ± 0,26
11P1	0−(1+−)	hb(1P)
1³P0	0+(0++)	χb0(1P)	9859,44 ± 0,52
1³P1	0+(1++)	χb1(1P)	9892,76 ± 0,40
1³P2	0+(2++)	χb2(1P)	9912,21 ± 0,40
21S0	0+(0−+)	ηb(2S)
2³S1	0−(1−−)	Υ(2S)	10023,26 ± 0,31
11D2	0+(2−+)	ηb2(1D)
1³D1	0−(1−−)	Υ(1D)	10161,1 ± 1,7
1³D2	0−(2−−)	Υ2(1D)
1³D3	0−(3−−)	Υ3(1D)
21P1	0−(1+−)	hb(2P)
2³P0	0+(0++)	χb0(2P)	10232,5 ± 0,6
2³P1	0+(1++)	χb1(2P)	10255,46 ± 0,55
2³P2	0+(2++)	χb2(2P)	10268,65 ± 0,55
3³S1	0−(1−−)	Υ(3S)	10355,2 ± 0,5
4³S1	0−(1−−)	Υ(4S) или Υ(10580)	10579,4 ± 1,2
5³S1	0−(1−−)	Υ(10860)	10865 ± 8
6³S1	0−(1−−)	Υ(11020)	11019 ± 8

Примечания:

^* Предварительный результат, требуется подтверждение.

Кварконий в КХД

Расчёты свойств мезонов в квантовой хромодинамике (КХД) носят непертурбативный характер. Поэтому единственным доступным общим методов остаётся прямой расчёт с использованием КХД на решётке. Однако существуют и другие методы, также эффективные применительно к тяжёлому кварконию.

Лёгкие кварки в мезоне движутся с релятивистскими скоростями, поскольку масса их связанного состояния много больше масс самих составляющих кварков. Но скорость очарованного и прелестного кварков в соответствующих состояниях кваркония существенно меньше, и релятивистские эффекты затрагивают такие состояния в меньшей степени. Оценки этих скоростей v дают около 0,3 скорости света для чармония и 0,1 для боттомония. Таким образом расчёты таких состояний могут проводиться путём разложения по степеням малого параметра v/c. Этот метод получил название нерелятивистской КХД (non-relativistic QCD — NRQCD).

Нерелятивистская КХД также квантуется как калибровочная теория на решётке, что позволяет использовать ещё один подход в расчётах КХД на решётке. Таким образом было получено хорошее согласие с экспериментом в значении масс боттомония, и это является одним из лучших свидетельств состоятельности метода КХД на решётке. Для масс чармония согласие не такое хорошее, но учёные работают над улучшением данного метода. Также ведётся работа в направлении вычислений таких свойств, как ширины состояний кваркония и вероятности перехода между состояниями.

Ещё один исторически ранний, но до сих пор эффективный метод использует модель эффективного потенциала для расчёта масс состояний кваркония. Предполагается, что кварки, составляющие кварконий, движутся с нерелятивистскими скоростями в статическом потенциале, подобно тому, как это происходит с электроном в нерелятивистской модели атома водорода. Один из наиболее популярных модельных потенциалов носит название потенциала Корнелла:

$V(r) = \frac{a}{r} + br,$

где r — эффективный радиус связанного состояния, a и b — некие параметры. Такой потенциал состоит из двух частей. Первая, a/r, отвечает потенциалу, создаваемому одноглюонным обменом между кварком и антикварком, и называется кулоновской частью, поскольку повторяет вид кулоновского потенциала электромагнитного поля, также пропорционального 1/r. Вторая часть, br, отвечает эффекту конфайнмента кварков. Обычно при использовании данного подхода берётся удобная форма волновой функции кварков, а параметры a и b определяются путём подгонки к экспериментально измеренным значениям масс кваркониев. Релятивистские и прочие эффекты могут быть учтены путём добавления дополнительных членов к потенциалу, подобно тому, как это делается для атома водорода в нерелятивистской квантовой механике.

Последний метод не имеет качественного теоретического обоснования, однако весьма популярен, поскольку позволяет довольно точно предсказывать параметры кваркония, избегая длительных вычислений на решётке, а также разделяет влияние короткодействующего кулоновского потенциала и дальнодействующего эффекта конфайнмента. Это оказывается полезно для понимания характера сил между кварком и антикварком в КХД.

Значение

Изучение кваркония представляет интерес с точки зрения определения параметров кварк-глюонного взаимодействия. Мезоны проще для изучения, так как состоят только из двух кварков, а кварконий для этих целей подходит лучше всего из-за симметричности.

См. также

• Позитроний
• Протоний
• Пионий
• J/ψ-мезон
• ϒ-мезон
• Квантовая хромодинамика
• Нерелятивистская квантовая хромодинамика
• Квантовая хромодинамика на решётке

Примечания

1. ↑ Суффикс -оний (-onium) применяется для обозначения связанных систем, состоящих из частицы и соответствующей античастицы; иногда для таких систем используется общий термин оний.
2. ↑ A new particle discovered by BaBar experiment. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (6 July 2005). Архивировано из первоисточника 11 марта 2012. Проверено 6 марта 2010.
3. ↑ B. Aubert et al. (BaBar Collaboration) Observation of a broad structure in the π⁺π⁻J/ψ mass spectrum around 4.26 GeV/c2 (2005).

Частицы в физике

 

Элементарные частицы	Фермионы Кварки u · d · c · s · t · b Лептоны e− · e+ · μ− · μ+ · τ− · τ+ · νe · νe · νμ · νμ · ντ  · ντ Бозоны Калибровочные бозоны γ · g · W-бозон · Z-бозон бозоны Хиггса H0 Другие Ду́хи Гипотетические Суперпартнёры Гейджино Чарджино · Глюино · Гравитино · Нейтралино Другие Аксино · Хиггсино · Сфермион Другие A0 · Дилатон · G · J · Тахион · X · X (4140) Y · W’ · Z’ · Стерильное нейтрино
Составные частицы	Адроны Барионы / Гипероны Нуклоны (p · p · n · n)  · Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω Мезоны / Кварконии π · ρ · η · η′  · φ · ω  · J/ψ · ϒ · θ · K · B · D · T Другие Атомные ядра · Атомы · Экзотические атомы (Позитроний · Мюоний · Кварконий) · Молекулы Гипотетические Экзотические адроны Экзотические барионы Дибарион · Пентакварк Экзотические мезоны Глюбол · Тетракварк Другие Мезонная молекула · Померон
Квазичастицы	Солитон Давыдова · Экситон · Биэкситон · Магнон · Фонон · Плазмон · Поляритон · Полярон · Примесон · Ротон · Биротон · Дырка · Электрон · Куперовская пара · Орбитон · Трион · Фазон · Флуктуон · Энион · Холон и спинон
Списки	Список частиц · Список квазичастиц · Список барионов · Список мезонов · История открытия частиц