• Nie Znaleziono Wyników

Hadrony i kwarki II

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Hadrony i kwarki II"

Copied!
37
0
0

Pełen tekst

(1)

Hadrony i kwarki

Klasyfikacja hadronów

– nonety lekkich mezonów pseudoskalarnych i wektorowych – oktet lekkich barionów ( JP = ½ + )

– dekuplet barionowy ( JP = 3/2+ )

Masy hadronów

– przybliżenie nierelatywistyczne

– potencjał oddziaływania kwark – kwark – rozszczepienie nadsubtelne

– formuły masowe dla mezonów i barionów

– rozszczepienia mas hadronów – oszacowanie różnicy mas lekkich kwarków

Czarmonium

Reguła OZI ( Okubo – Zweig – Iizuka )

Bottomonium

(2)

Addytywne liczby kwantowe kwarków

1964 r – prosty ( statyczny ) model kwarków

Eksperymenty głęboko nieelastycznego rozpraszania leptonów na nukleonach ( pierwsze wyniki w 1968 r ) – nukleony są zbudowane z partonów, partony ≡ kwarki

kwarki naprawdę istnieją !

Ulepszony model partonowy (partony ≡ kwarki & gluony) dynamicznym

(3)

Zapachowa symetria SU(3)

1961 M. Gell-Mann i Y. Ne’eman przybliżona symetria zapachowa SU(3) oddz. silnych

1964 M. Gell-Mann i G. Zweig klasyfikacja znanych hadronów jako stanów trzech

kwarków (bariony), trzech antykwarków (antybariony) i układów kwark – antykwark (mezony). Każdy kwark może występować w jednym z 3 zapachów u, d lub s.

=

)

x

(

s

)

x

(

d

)

x

(

u

)

x

(

ψ

Funkcja falowa cząstki, która może

występować w 3 stanach różniących się

zapachem ma 3 składowe :

Symetria SU(3)

niezmienniczość oddziaływań silnych względem dowolnych

obrotów takiej funkcji falowej w przestrzeni zapachu

=

)

x

(

s

)

x

(

d

)

x

(

u

)

x

(

ψ

=

s

d

u

U

'

s

'

d

'

u

Ǔ jest zespoloną unitarną macierzą o wymiarze 3 x 3

i jednostkowym wyznaczniku należącą do grupy SU(3)

(4)

Klasyfikacja hadronów

Multiplety mezonów i barionów – reprezentacje grupy SU(3)

Fundamentalną reprezentacją grupy SU(3) jest tryplet

kwarki u, d, s

antykwarki u, d, s

( dziwność ) ( 3 składowa izospinu )

(5)

Mezony

Mezon = q

i

q

j

, tylko mezony składające się z lekkich kwarków

u, d i s

m

u

~

0.3 GeV ,

m

d

~

0.3 GeV ,

m

s

~

0.5 GeV

grupują się w rodziny składające się z 3

2

= 9 cząstek ( nonety )

1

8

3

3

)

3

(

SU

=

multiplet 9 mezonów = oktet + singlet

Mezony niedziwne

składają się

z kwarka u lub d i antykwarka u lub d ( I = ½ )

są izosingletami ( I = 0 ) lub izotrypletami ( I = 1 )

Mezony dziwne

zawierają kwark s lub antykwark s

są izodubletami ( I = ½, np. su i sd )

S

(dziwność)

I

3 5

(6)

Mezony

Stany zapachowe :

ud, du, su, sd, us, ds

mieszanie m-dzy stanami singletowymi i oktetowymi

(uu, dd, ss)

z I = S = 0 ( I – izospin, S – dziwność )

Spinowy moment pędu

(stany spinowe układu qq)

S = 0 ( spiny kwarków

↑↓

) lub S = 1 (spiny kwarków

↑↑

)

Spin mezonu J = L + S

|L

S | < J < | L + S |, L

orbitalny moment pędu układu qq

Parzystość przestrzenna

P = P( q ) P( q ) (

1)

L

= (

1)

L+1

( q i q mają przeciwne parzystości)

Parzystość ładunkowa

C = (

1)

L+S

dla mezonów zbudowanych z kwarka i odp. mu antykwarka

6

Stan podstawowy ( L = 0 ) multiplety mezonów o najniższych masach

Dla stanu podstawowego z orbitalnym momentem pędu równym zero spin mezonu (całkowity moment pędu ) jest określony przez stan spinowy układu kwark – antykwark

singlet spinowy kwarków (

↑↓

) S = 0

nonet pseudoskalarnych mezonów o J

P

= 0־

(7)

Stany mezonowe – notacja spektroskopowa

2S+1

L

J

7

Mezon = qq

Orbitalny moment pędu L = 0, 1, 2 … Spinowy moment pędu S = 0 lub S = 1 P(qq) = (–1)L+1

C(qq) = (–1)L+S - parzystość

ładunkowa określona dla cząstek całkowicie obojętnych Stany z L = 0 stany S, np. 1S 0 L = 1 stany P, np. 1P 1 ………

(8)

Lekkie mezony pseudoskalarne ( J

P

= 0־ )

8 notacja spektroskopowa 2S+1L J

stany

1

S

0

( L = 0, S = 0, J = 0 )

Kombinacje kwarków / funkcje falowe

K

0

=

ds, K

+

= us, K־ = su, K

0

= sd

π

+

=

ud,

π ־

=

du

Obserwowane cząstki

η

i

η

’ są liniowymi kombinacjami stanów izosingletowych ( I = S = 0 ) oktetu i singletu SU(3) :

η

=

η

8 cos

θ

P

η

1 sin

θ

P

η

’ =

η

8sin

θ

P +

η

1 cos

θ

P

θ

P – kąt mieszania dla nonetu mezonów pseudoskalarnych

Eksperyment ( masy mezonów, rozpady mezonów wektorowych, … ) :

θ

P

między –10

0

i –20

0 Masy ( MeV ) :

π

± 140 ,

π

0 135 K0,K0 498, K± 494

η

548,

η’

958 S (dziwność)

η

8

η

1

(9)

Lekkie mezony wektorowe ( J

P

= 1־)

notacja spektroskopowa 2S+1L J

stany

3

S

1

( L = 0, S = 1, J = 1 )

9

K*

0

=

ds, K*

+

=

us, K*־

=

su, K*

0

=

sd

ρ

+

=

ud,

ρ ־

=

du

” Idealne mieszanie ” :

Mieszanie między

Φ

8 i

Φ

1, stanami oktetowymi i singletowymi o I = S = 0

Φ

(1020) =

Φ

8 cos

θ

V

Φ

1 sin

θ

V

ω

(780) =

Φ

8 sin

θ

V +

Φ

1 cos

θ

V

Φ

8 = 1/√6 (dd + uu – 2ss)

Φ

1 = 1/√6 (dd + uu + ss)

θ

V 350 kąt mieszania dla nonetu mezonów

wektorowych

Φ

(1020)

składa się wyłącznie z kwarków s,

ω

(780)

tylko z kwarków u i d

Masy ( MeV ) :

ρ

± 776 ,

ρ

0 776 K*0,K*0 892, K*± 892

ω

782,

Φ

1020

(10)

Bariony

ψ

barion

=

ψ

kolor

·

ψ

przestrzeń

·

ψ

spin

·

ψ

zapach

Barion = q

i

q

j

q

k

Funkcja falowa barionu

antysymetryczna

ze względu na przestawienie dwóch kwarków o takiej samej masie Kolorowa część funkcji falowej barionów jest antysymetryczna

ψ

barion

(kolor)

= 1/√6 ( r

g

b

+

g

br

+

br

g

g

rb

rb

g

b

g

r

)

Funkcja falowa musi być całkowicie symetryczna w zmiennych spinowych, zapachowych i przestrzennych

1

8

8

10

3

3

3

)

3

(

SU

=

Przewidywania SU(3) → dekuplet + 2 oktety + singlet → 27 stanów

10 Bariony składające się z 3 lekkich kwarków u lub d ( I = ½ )

izodublety ( I = ½ ) lub izokwartety ( I = 3/2 ) Bariony o dziwności S = –1 ( 2 lekkie kwarki o I = ½ )

izosinglety lub izotryplety Bariony o dziwności S = –2 ( tylko 1 lekki kwark )

izodublety

Bariony o dziwności S = –3 ( 3 dziwne kwarki o I = 0 )

izosinglety Nie ma (anty)barionów o dziwności | S | > 3

(11)

Bariony

Stan podstawowy ( L = 0 )

L = 0

przestrzenna funkcja falowa jest symetryczna

kolorowa część funkcji falowej jest antysymetryczna

funkcja falowa musi być symetryczna w zmiennych spinowych i zapachowych

ψ

spin ·

ψ

zapach

część symetryczna

Symetryczne w zmiennych spinowych i zapachowych funkcje falowe można otrzymać na dwa sposoby :

1) Symetryczne zapachowe f-cje falowe odp. dekupletowi SU(3)

i symetryczne spinowe f-cje falowe odp. całkowitemu spinowi 3 kwarków (

↑↑↑

) S = 3/2

→ dekuplet barionów o spinie i parzystosci J

P

= 3/2

+

2) Antysymetryczne funkcje zapachowe jednego z oktetów

i antysymetryczne spinowe f-cje falowe odp. całkowitemu spinowi 3 kwarków S = ½ ( stany 3-kwarkowe symetryczne przy jednoczesnej zmianie zapachu i spinu (

↑↑↓

)

dowolnej pary kwarków )

→ oktet barionów o spinie i parzystości J

P

= ½

+

11

Warunki symetrii dla f-cji falowej barionów ograniczają liczbę najlżejszych

(12)

Oktet barionowy

Zapachowe funkcje falowe protonu i neutronu są antysymetryczne: p = u( ud – du ) / √2 n = d( ud – du ) / √2 Masy (MeV) : p 938.3 n 939.6

Λ

1116

Σ

0 1193

Σ־

1197

Σ

+ 1189

Ξ

0 1315

Ξ־

1321 12

(13)

Dekuplet barionowy

Zapachowe funkcje falowe rezonansów

są symetryczne

++ = uuu,

־

= ddd

+ = (duu + udu + uud) / √3

0 = (ddu + dud + udd) / √3

Masy (MeV) :

1230

Σ∗

0 1384

Σ

*

+ 1383

Σ

*

־ 1387

Ξ*

0 1530

Ξ

1535

־

1672 S = –1 S = –2 S = –3

J

P

= 3/2

+ 13

(14)

Masy hadronów

Kwarkowa budowa hadronów

widmo mas mezonów i barionów

( stany podstawowe i wzbudzone )

Nierelatywistyczny model kwarkowy :

● Związane stany kwarkowe jako układy nierelatywistyczne

Energia kinetyczna kwarków o wiele mniejsza niż ich masy spoczynkowe.

Założenie to jest poprawne dla stanów qq kwarków powabnych i pięknych (cc i bb) Dla hadronów zbudowanych z lekkich kwarków (u, d, s) ryzykowne założenie,

ale daje względnie dobre wyniki ( !? ) ● Rozwiązanie równania Schrödingera z potencjałem oddziaływania kwark – kwark,

mającym swoje uzasadnienie w QCD

V( r ) = a / r + br ,

r –

odległość m-dzy kwarkami

a / r

człon typu kulombowskiego, wynika z oddz. m-dzy 2 kwarkami poprzez wymianę gluonu, dominuje dla małych

r

br

człon liniowy w r, uwzględniający uwięzienie kwarków w hadronach,

dominuje dla dużych r a, b - stałe

● Rozszczepienie nadsubtelne

poziomów energetycznych związane z oddziaływaniami ładunków kolorowych kwarków ze spinem ( kolorowe oddz. magnetyczne )

(15)

Potencjał QCD dla oddziaływania kwark - antykwark

V [ GeV ]

r [ fm ]

Wartości parametrów a i b można otrzymać

w wyniku dopasowania przewidywań

teoretycznych z obserwowanymi poziomami

energetycznymi czarmonium i bottomonium,

stanów związanych kwarków cc i bb

V( r ) = a / r + br

( a, b – stałe , a < 0 )

Wykres VQCD dla stałej sprzężenia silnego

α

s = 0.2 oraz k = 1 GeV · fm–1

r

3

4

a

=

α

S Oznaczenia na wykresie b = k i 15

(16)

Masy hadronów

Przyczynki do mas hadronów :

Masy konstytuentne kwarków

Efekty związane z kulombowskim oddziaływaniem kwarków ( rzędu 1 – 2 MeV )

Rozszczepienie nadsubtelne

– oddz. momentów magnetycznych kwarków (

m ~ 1 – 2 MeV )

kolorowe oddziaływania magnetyczne

( oddz. kolorowych ładunków kwarków ze spinem )

przesunięcie poziomów energetycznych dla kwarków

o masach m

1,2

i wektorach spinu Ŝ

1,2

α

S stała sprzężenia oddziaływań silnych

(17)

Rozszczepienie mas hadronów

Oszacowanie różnicy mas lekkich kwarków u i d

M( K ) > M(

π

)

wskazówka, że mS > mu, md, zapachowa symetria SU(3) jest przybliżona ● Różnice mas m-dzy cząstkami

Σ

multipletu izospinowego należącego do oktetu

barionowego o JP = ½ +

różnica mas kwarków u i d

:

J

P

= ½

+

Σ

+(1189) = uus,

Σ

0(1193) = uds,

Σ־

(1197) = dds

Różnica mas m-dzy cząstkami wynika z różnicy mas kwarków u, d i s

oraz oddz. elektromagnetycznych m-dzy kwarkami ( zakładamy, że są proporcjonalne do iloczynu ładunków kwarków eiej)

M( Σ־ ) = M

0

+ m

S

+ 2m

d

+ δ( e

d2

+ e

d

e

S

+ e

d

e

S

)

M( Σ

0

) = M

0

+ m

S

+ m

d

+ m

u

+ δ( e

u

e

d

+ e

u

e

S

+ e

d

e

S

)

M( Σ

+

) = M

0

+ m

S

+ 2m

u

+ δ( e

u2

+ e

u

e

S

+ e

u

e

S

)

M0- przyczynek od oddz. silnych m-dzy kwarkami ,

δ

- stała

m

d

– m

u

= [ M( Σ־) + M( Σ

0

) – 2M( Σ

+

) ] / 3 = 3.7 MeV / c

2

17 To proste oszacowanie zgadza się z bardziej dokładnymi obliczeniami pokazującymi, że

(18)

Rozszczepienie mas hadronów

Proste oszacowanie różnicy mas między kwarkiem s i lekkimi kwarkami u, d

z rozszczepienia mas lekkich barionów w oktecie J

P

= ½

+

i dekuplecie J

P

= 3/2

+

:

(super)multiplet składa się z multipletów izospinowych

różnice mas m-dzy cząstkami multipletu izospinowego są małe

zakładamy, że masy hadronów w multipletach izospinowych są takie same

duże różnice mas m-dzy cząstkami różnych multipletów izospinowych – zależne od liczby kwarków s

wiodący wkład do różnicy mas m

dzy hadronami od różnicy masy m

S

– m

u,d różnice mas obliczone tylko w oparciu o sumy mas konstytuentnych kwarków

Dekuplet J

P

= 3/2

+ :

M

– M

Ξ

= M

Ξ

– M

Σ

= M

Σ

– M

= m

S

– m

u,d 142 145 153

Oktet J

P

= ½

+ :

M

Ξ

– M

Σ

= M

Σ

– M

= M

Λ

– M

N

= m

S

– m

u,d 123 202 177

m

S

– m

u,d

≈ 160 MeV / c

2 18

(19)

Masy mezonów

Formuła masowa dla mezonów ( L = 0 )

A

- stała

( mezony o J

P

= 0־ )

( mezony o J

P

= 1־ )

Mezony pseudoskalarne ( J

P

= 0 ־) są lżejsze niż mezony wektorowe ( J

P

= 1־ )

o takim samym składzie kwarkowym

(20)

Masy mezonów

Dla konstytuentnych mas kwarków

m

u

= m

d

= 310 MeV

i

m

S

= 483 MeV

oraz stałej

A = 0.06 GeV

3

bardzo dobra zgodność dla mas mezonów

zmierzonych doświadczalnie i przewidzianych teoretycznie

(21)

Masy barionów

Formuła masowa dla barionów ( L = 0 )

A’

- stała

Bardzo dobra zgodność dla

m

u

= m

d

= 363 MeV,

m

S

= 538 MeV,

A’ = 0.026 GeV

3

( Przewidywanie QCD A’ = AMEZON / 2 )

(22)

Czarmonium

● 1974 Odkrycie wąskiego rezonansu J/

ψ ( ” rewolucja listopadowa” )

Laboratorium BNL w Brookhaven (S. Ting)

Produkcja rezonansu J/

ψ

w zderzeniach protonów o energii 28 GeV z tarczą berylową

p + Be → J + X

Rejestracja elektronu i pozytonu z rozpadu

J → e

+

+ e־

w wielodrutowych komorach proporcjonalnych Wąski rezonans w rozkładzie masy

niezmienniczej par e+

Obserwowana szerokość rezonansu,

rzędu kilku MeV, wynika z eksperymentalnej zdolności rozdzielczej w pomiarze pędu e±

rzeczywista szerokość

Γ

J

~ 87 keV

M

e+e⎯

[ GeV ]

(23)

23

SLAC ( B. Richter )

Formacja wąskiego rezonansu J /

ψ

w anihilacji

e

+

przy energii E

CM ≈ 3.1 GeV

e

+

+ e⎯ →

ψ

e+e־ → hadrony

e+e־ →

µ

+

µ

־

e+e־ → e+

Każdy punkt pomiarowy odpowiada

zmierzonemu przekrojowi czynnemu na proces

e

+

e־ → l

+

l־ ( e+e־ → hadrony )

przy energii

w układzie środka masy zderzających się cząstek ECM = Ee+ + E

Formacja rezonansu R przejawia się jako wzrost przekroju czynnego dla energii ECM ~ E0 = mRc2 ,

opisany efektywnie wzorem Breita - Wignera

σ

[nb]

4

/

)

E

E

(

1

)

E

(

2 2 0

+

Γ

σ

Γ = szerokość maksimum rezonansowego w połowie jego wysokości

(24)

SLAC (1974) e+e¯→ hadrony, e+

e¯,

µ

+

µ

¯

● J/

ψ :

M = 3.105 ± 0.003 GeV,

Γ

≤ 1.9 MeV obserwowana szerokość rezonansu wynika

z eksp. zdolności rozdzielczej w pomiarze pędu cząstek zderzających się wiązek (

σ

= 1.2 MeV )

[ nb ]

Kształt krzywej rezonansowej – charakterystyczny dla dwóch interferujących amplitud : amplituda na bezpośrednią produkcję

ψ +

produkcja

ψ

za pośrednictwem wirtualnego

fotonu

J /

ψ

J /

ψ

ma takie same liczby kwantowe co foton : J

PC

= 1¯ ¯

(25)

W eksperymencie na zderzaczu w SLAC

odkryto również drugi rezonans

ψ

’ o masie 3.7 GeV.

e

+

+ e¯ →

ψ

’(3700) 25

ψ’

(3700) →

ψ

(3100) +

π

+

+

π

¯ ,

ψ

→ e

+

+ e¯

E

π

150 MeV, E

e

~ 1.5 GeV

π

+

π¯

J/

ψ

(3100)

M = 3097.88 ± 0.04 MeV , J

PC

= 1־־, I

G

= 0¯

ciężki stan mezonowy !!

Całkowita szerokość

Γ

J/ψ

= 0.087 ± 0.005 MeV

b. wąski rezonans !!

Duża masa J /

ψ

i względnie długi czas życia (

Γ

= 1 /

τ

) → cząstka nie jest zbudowana z dotychczas znanych lekkich kwarków (u, d, s) ??

Stosunki rozgałęzień ( Branching Ratio, BR)

J/

ψ

→ hadrony

88 %

J/

ψ

→ e

+

e־,

µ

+

µ

־

6 %

Szerokości cząstkowe

Γ

( a → bc ) = BR ( a → bc )

·

Γ

a

Γ( J/

ψ

→ e

+

e־) =

Γ ( J/

ψ

µ

+

µ

־ ) = 5 keV

,

szerokość podobna do szerokości

innych rezonansów wektorowych:

Γ(

ω

→ e

+

e¯ ) = 0.6 keV i Γ(

φ →

e

+

e¯ ) = 1.4 keV

(26)

26

Struktura poziomów energetycznych czarmonium

3

P

J

J

PC

γγ

+

1¯ ¯

1

+

¯

0,1,2

++

Schemat poziomów energetycznych dla ciężkich stanów mezonowych odkrytych w anihilacji e+e¯ wykazywał podobieństwo

do stanów pozytonium.

Pozytonium – stan związany e+

e¯ :

singlet spinowy (

1

S

0

) – J

PC

= 0

++

rozpad na 2 fotony, krótszy czas życia tryplet spinowy

(

3

S

1

)

– JPC = 1¯ ¯

rozpad na 3 fotony, dłuższy czas życia W elektromagnetycznych rozpadach

pozytonium zachowana jest parzystość ładunkowa C i dlatego stan 1S

0 rozpada się

na 2 fotony a stan 3S

1 na 3 fotony

C(nγ) = (–1)n

Widmo mas + b. małe szerokości ψ i ψ’

→ odkryte stany mezonowe sa stanami związanymi

par ciężkich fundamentalnych fermionów

(27)

Czarmonium

ψ

i

ψ

’ –

wektorowe stany związane nowego kwarka powabnego i jego antykwarka

Kwarki powabne zostały przewidziane przez Glashowa, Iliopoulosa i Maianiego (1970),

aby wyjaśnić brak słabych pradów neutralnych zmieniających dziwność.

formacja J

i

ψ’

w anihilacji e+

sprzężenie do fotonu JPC = 1־־

J/

ψ

(3100) jest stanem o najniższej energii układu cc - notacja spektroskopowa

ψ

( 1S ),

ψ

( 3700 ) jest jego wzbudzeniem radialnym

ψ

( 2S )

m

c

~ 1.5 GeV

-Notacja spektroskopowa :

ψ

(3100) i

ψ

’(3700) - stany3S 1 2S+1L

J - L – kręt pary qq, J – spin mezonu, S – spinowy moment pędu pary qq

-

(28)

e

+

+ e־ → J/

ψ

µ

+

µ

־

W procesie anihilacji e

+

e־ formuje się rezonans J/ψ rozpadający się

w kanale

µ

+

µ־

. Maksimum w przekroju czynnym opisane przez krzywą

Breita-Wignera, której parametrami są masa rezonansu m

Ψ

,

szerokość całkowita

Γ

ψ

oraz szerokości cząstkowe Γ

ee

i Γ

µµ

.

σ

( E )

~

( pełny wzór uwzględnia również spiny cząstek )

Dopasowanie krzywych teoretycznych opartych na wzorze Breita-Wignera

do zmierzonych przekrojów czynnych → wyznaczenie parametrów rezonansu

(29)

Schemat poziomów energetycznych dla czarmonium

29

-e

+

e־ → cc

-JPC = 1־־ Masa [ GeV ] JPC cieniowanie – stany

o dużej szerokości Układy zbudowane z par

ciężkich

kwarków (cc i bb)

- uzasadnione

przybliżenie nierelatywistyczne

-Równanie Schrödingera

z potencjałem oddz. dwóch kwarków, uwzględniającym efekt ich uwięzienia

w hadronie

V( r ) = a / r + br

Poprawny opis widma mas dla

rodziny mezonów

ψ

DD

Pomiar poziomów energetycznych dla czarmonium pozwala na testowanie

(30)

Czarmonium

30

Dlaczego rezonans J/

ψ

jest taki wąski ?

Szerokości J/

ψ

(3100) =

ψ

(1S) i

ψ

’(3700) =

ψ

(2S) są o dwa rzędy wielkości mniejsze niż szerokości wyższych stanów wzbudzonych

ψ

(3S),

ψ

(4S) i

ψ

(5S) układu cc.

-Szerokości rozpadu stanów

ψ

zależą od tego, czy kinematycznie jest dostępny

rozpad na lżejsze mezony zawierające kwark c : D־( dc ) , D

+

( cd )

m

= 1869.4 ± 0.5 MeV

-

-silny rozpad

ψ

→ D

+

D־ jest

kinematycznie dozwolony

”zwykły” rozpad silny

duża szerokość rozpadu

(31)

Czarmonium

Dlaczego rezonans J/

ψ

jest taki wąski ?

31

ψ

(3100) →

π

+

π־ π

0

Rozpad układu cc na lżejsze kwarki

wiąże się ze zmianą zapachu kwarka

-Reguła OZI ( Okubo – Zweig – Iizuka )

Amplitudy związane z niespójnymi

diagramami kwarkowymi są tłumione

( diagramy z ciągłymi liniami kwarkowymi m-dzy stanem początkowym i końcowym

są uprzywilejowane )

rozpad

ψ

(3100) →

π

+

π־ π

0

jest tłumiony zgodnie z regułą OZI

b. mała szerokość rozpadu

QCD:

początkowa para kwark-antykwark oddziałuje z kwarkami w stanie

końcowym poprzez wymianę gluonów (singlet kolorowy !)

Sprzężenie

ψ

, stanu

3

S

1

,

do przynajmniej 3 gluonów

Γ ~ α

S6 rozpad tłumiony Rozpad na cząstki zawierające kwark c

(32)

J

PC

= 1¯ ¯

anihilacja pary cc

-QCD:

początkowa para kwark-antykwark (singlet koloru) oddziałuje z kwarkami w stanie końcowym (singlet koloru) poprzez wymianę gluonów

→ te gluony muszą także być singletem koloru

→ kombinacja co najmniej dwóch gluonów

Czy stan JPC = 1¯ ¯ może się rozpadać na 2 gluony ?

32

Całkowita funkcja falowa dla układu gluonów (bozonów)

ψ = ψ( kolor ) ψ(x) ψ(spin)

jest symetryczna

” kolorowa ” składowa funkcji falowej dla 2g jest symetryczna – złożenie dwóch obiektów należących do kolorowego oktetu na singlet koloru

● część spinowo-przestrzenna funkcji falowej musi być również symetryczna

(-1)L+S = +1 (L, S – orbitalny moment pędu, spin układu gluonów)

(-1)L+S to parzystość C dla układu 2 gluonów

J/

ψ

(J

PC

= 1¯ ¯ ) nie może się rozpadać na 2 gluony (C=+1)

ponieważ parzystość C nie jest zachowana

Dozwolone stany JPC(2g) : 0++, 0¯ +, 2++, 2¯+,3++

(33)

J

PC

= 1¯ ¯

anihilacja pary cc

-QCD:

początkowa para kwark-antykwark (singlet koloru) oddziałuje z kwarkami w stanie końcowym (singlet koloru) poprzez wymianę gluonów

→ te gluony muszą więc tworzyć singlet koloru

→ kombinacja co najmniej dwóch gluonów

Czy stan JPC = 1¯ ¯ może się rozpadać na 3 gluony ?

33

Całkowita funkcja falowa dla układu gluonów (bozonów)

ψ = ψ( kolor ) ψ(x) ψ(spin)

jest symetryczna

Należy rozważyc wszystkie możliwe wkłady od kolorowej, spinowej i przestrzennej funkcji falowej dla układu 3 gluonów i ich symetrie.

Np. są 2 możliwe kolorowe funkcje falowe:

symetryczna |kolor1>= [ (8,8)8 S, 8]1 i antysymetryczna |kolor2> = [ (8,8)8A, 8]1 , gdzie

(8,8)8S / (8,8)8A oznacza że dwa gluony (należące do oktetu koloru) tworzą obiekt będący członkiem symetrycznego /antysymetrycznego kolorowego oktetu i w połączeniu z trzecim gluonem składają się na singlet koloru [...]1.

Analogicznie należy rozpatrzyć symetrie dopuszczalnych stanów spinowych

uzyskanych ze złożenia 3 gluonów o spinie 1 ( spinowe funkcje falowe odpowiadają stanom o S = 0, 1, 2, 3 ).

(34)

J

PC

= 1¯ ¯

anihilacja pary cc

-QCD:

początkowa para kwark-antykwark (singlet koloru) oddziałuje z kwarkami w stanie końcowym (singlet koloru) poprzez wymianę gluonów

→ te gluony muszą więc tworzyć singlet koloru

→ kombinacja co najmniej dwóch gluonów

Czy stan JPC = 1¯ ¯ może się rozpadać na 3 gluony ?

Całkowita funkcja falowa dla układu gluonów (bozonów)

ψ = ψ( kolor ) ψ(x) ψ(spin)

jest symetryczna

Należy rozważyc wszystkie możliwe wkłady od kolorowej, spinowej i przestrzennej funkcji falowej dla układu 3 gluonów i ich symetrie

Dozwolone stany J

PC

(3g)

: 1¯ ¯, 2¯ ¯, 3¯ ¯, 1+¯, 2+¯, 3+¯ (tylko stany o ujemnej parzystości C)

( stany z L = 0 )

Sprzężenie J /

ψ do 3 gluonów jest dozwolone

( Dozwolone tylko silne rozpady J/

ψ

na nieparzystą liczbę

π

- zachowanie parzystość G ) 34

(35)

Reguła OZI – rozpady

ω i φ

Stosunki rozgałęzień dla rozpadów

ω

i

φ

Większa przestrzeń fazowa dla rozpadu

φ

3

π ,

ale …

ten rozpad jest tłumiony przez regułę OZI

35

φ

→ K

0

K

0

(36)

● 1977 Odkrycie kwarka b ( beauty / bottom, trzecia generacja kwarków, Q =

1/3 )

36 Fermilab (L. Lederman et al.)

p + jądro → µ+µ⎯ + X

Masa niezmiennicza pary mionów

– szerokie

maksimum w okolicy 10 GeV

2 lub 3 rezonanse o zbliżonych masach

stany związane kwarków pięknych

bottomonium ( bb )

Zderzenia protonów ( E = 400 GeV ) z jądrami

(Be, Cu, Pt)

Υ(1S) 1980, CLEO e+e⎯→ hadrony ECM [ GeV ] σ [nb]

Υ, Υ’, Υ”

Rezonans Υ

M = 9.46 GeV

Γ = 0.053 MeV

(37)

Bottomonium

Schemat poziomów energetycznych bottomonium b. podobny do czarmonium

37

Υ(9460) – jest najniższym stanem

energetycznym

3

S

1

układu bb

m

b

~ 4.7 GeV

widmo mas rodziny Υ bardzo dobrze

opisane przez taki sam potencjał QCD

jak dla czarmonium

potencjał QCD nie zależy od typu

kwarka

JPC = 1־־

e

+

e־→ bb

Masa [ GeV ]

-Próg dla BB

-JPC

Cytaty

Powiązane dokumenty

W ramach dzisiejszych zajęć proponuję doskonalenie w posługiwaniu się programem do symulacji układów mechatronicznych FluidSIM.. Proponuję realizację

Wektor momentu magnetycznego związany z ruchem orbitalnym elektronu jest antyrównoległy do wektora orbitalnego momentu pędu. Podobnie jest dla spinowego momentu magnetycznego,

Wektor momentu magnetycznego związanego z całkowitym momentem pędu J na ogół nie jest antyrównoległy do wektora J... Królikowski: Wstęp do Fizyki Jądra i Cząstek Elementarnych

Wnęka rezonansowa – zasada działania.. Wnęka

Okazuje się, że aby oszacować masy barionów wystarczy po prostu dodać masy trzech kwarków, które wchodzą w skład danego barionu.. Trudno tu za- głębiać się

Cel ćwiczenia: poznanie charakterystyk częstotliwościowych liniowych układów elektrycznych oraz zapoznanie się z analizą widmową sygnałów okresowo-zmiennych i ich

Umiejętności: dziecko potrafi słuchać; tworzy zasady działania w grupie podczas wspólnej pracy; ustawia przedmioty w szeregu od najniższego do najwyższego; stosuje

Jak ktoś się uprze, że nie zaliczy, to nic się na to nie poradzi