Bottomonium – ciężki mezon, złożony z kwarku i antykwarku spodniego (zwanego też pięknym) 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 ηb, i Poniższa tabela porównuje ich własności. Oznaczenie Masa [MeV/c²] Szerokość [MeV] ηb(1S) 9398,0±3,2 11+6−4 ϒ(1S) 9460,30±0,26 0,05402±0,00125 χb0(1P) 9859,44±0,42±0,31 χb1(1P) 9892,78±0,26±0,31 hb(1P) 9899,3±1,0 χb2(1P) 9912,21±0,26±0,31 ηb(2S) 9999±4 <24 ϒ(2S) 10023,26±0,31 0,03198±0,00263 ϒ(1D) 10163,7±1,4 χb0(2P) 10232,5±0,4±0,5 χb1(2P) 10255,46±0,22±0,50 hb(2P) 10259,8±1,2 χb2(2P) 10268,65±0,22±0,50 ϒ(3S) 10355,2±0,5 0,02032±0,00185 χb(3P) 10534±9 ϒ(4S) lub Υ(10580) 10579,4±1,2 20,5±2,5 X(10610)± lub Zb(10610) 10607,2±2,0 18,4±2,4 X(10650)± lub Zb(10650) 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 (JP = 2−), nazwany ϒ(1D).

Naładowane cząstki Zb(10610) i Zb(10650) to prawdopodobnie tetrakwarki zawierające kwark denny i antydenny, o czym świadczą ich rozpady na stan bottomonium i naładowany lekki mezon.

Historia odkrycia i badań thumb|200px|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. 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:

Eksperymenty elektron-pozyton Zderzenia elektronów z pozytonami 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, (obecnie oznaczany ϒ(2S))J.K. Bienlein et al., Observation of a narrow resonance at 10.02 GeV in e+e− annihilations, Phys. Lett. B 78 (1978) 360C.W. Darden et al., Evidence for a narrow resonance at 10.01 GeV in electron-positron annihilations, Phys. Lett. B 78 (1978) 364.. Dopiero te pomiary jednoznacznie potwierdziły, że ϒ rzeczywiście jest cząstką zbudowaną z nowej generacji kwarkówH.Schopper Launching DORIS II and ARGUS, prezentacja w DESY 09.11.2007.. W roku 1979 uruchomiony został nowy pierścień akumulacyjny CESR na Uniwersytecie Cornella. Szybko potwierdził odkrycia DORIS i odkrył kolejne dwa stany wzbudzoneK. Berkelman, A Personal History of CESR and CLEO, Cornell Univ. report CLNS 02/1784..

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 nazwanych χb.

LHC Stan χb (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 i opublikowany w kwietniu 2012 r. w czasopiśmie „Physical Review Letters”.

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.

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:

lub

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

Kategoria:Mezony