Encanto quark
El quark charm, quark encantado o quark c es una partícula elemental de segunda generación. Es el tercer quark más masivo, con una masa de 1,27±0.02 GeV/c2 (a partir de 2022) y un cargo de +2/3 e. Lleva encanto, un número cuántico. Los quarks Charm se encuentran en varios hadrones, como el mesón J/psi y los bariones encantados. También hay varios bosones, incluidos los bosones W y Z y el bosón de Higgs, que pueden descomponerse en quarks encantadores.
El quark encanto fue predicho por primera vez en 1964 por James Bjorken y Sheldon Glashow, y nuevamente predicho en 1970 por Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maiani. En 1974, se descubrió a través del mesón J/psi por separado en el Laboratorio Nacional de Brookhaven y en el Centro Acelerador Lineal de Stanford. En los años siguientes, se encontraron varias partículas encantadas. En el siglo XXI se ha encontrado un barión que contiene dos quarks encantados. Hay pruebas recientes de que existen quarks charm intrínsecos en el protón, y se ha estudiado el acoplamiento del quark charm y el bosón de Higgs.
Nombramiento
Según Sheldon Glashow, el quark charm recibió su nombre debido a la "simetría que trajo al mundo subnuclear". Glashow también justificó el nombre como 'un dispositivo mágico para evitar el mal', ya que agregar el quark encanto prohibiría las desintegraciones no deseadas e invisibles en la teoría de los tres quarks en ese momento.
El quark encanto también se conoce como "quark encantado" tanto en contextos académicos como no académicos. El símbolo del quark charm es "c".
Historia
Predicción teórica
En 1964, James Bjorken y Sheldon Glashow teorizaron sobre el "encanto" como un nuevo número cuántico. En ese momento, había cuatro leptones conocidos (el electrón, el muón y cada uno de sus neutrinos), pero Gell-Mann inicialmente solo propuso tres quarks. Bjorken y Glashow esperaban establecer paralelismos entre los leptones y los quarks mediante su teoría. En palabras de Glashow, la conjetura provino de "argumentos estéticos".
En 1970, Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maiani propusieron un nuevo quark que se diferencia de los tres quarks conocidos en ese momento por el número cuántico encantador. Predijeron además la existencia de "partículas encantadas" y ofreció sugerencias sobre cómo producirlos experimentalmente. También sugirieron que el quark encantado podría proporcionar un mecanismo, el mecanismo GIM, para facilitar la unificación de las fuerzas débil y electromagnética.
La apuesta del sombrero de Glashow
En la Conferencia sobre Espectroscopía Experimental de Mesones (EMS) en abril de 1974, Glashow presentó su artículo "Charm: An Invention Awaits Discovery". Glashow afirmó que, dado que era probable que existieran corrientes neutras, se 'necesitaba con urgencia' un cuarto quark; para explicar la rareza de las desintegraciones de ciertos kaones. También hizo varias predicciones sobre las propiedades de los quarks charm. Luego apostó, para la siguiente conferencia de EMS en 1976:
Sólo hay tres posibilidades:
- Charm no se encuentra, y como mi sombrero.
- Charm es encontrado por los espectroscopios de hadron, y celebramos.
- Charm es encontrado por los extranjeros, y usted come sus sombreros.
En agosto de 1976, en The New York Times, Glashow recordó su apuesta y comentó que "el vino de John [Iliopoulos] y mi sombrero se habían guardado en el nick". del tiempo." En la próxima conferencia de EMS, los espectroscopistas comieron sombreros de dulces mexicanos proporcionados por los organizadores.
Iliopoulos N.º 39; apuesta de vino
En julio de 1974, en la 17.ª Conferencia Internacional sobre Física de Altas Energías (ICHEP), Iliopoulos dijo:
Ya he ganado varias botellas de vino apostando por las corrientes neutrales y estoy dispuesto a apostar ahora todo un caso que si las sesiones de interacción débiles de esta Conferencia estaban dominadas por el descubrimiento de las corrientes neutrales, toda la próxima Conferencia estará dominada por el descubrimiento de las partículas encantadas.
En 1976, Frank Close escribió un artículo de Nature "Iliopoulos ganó su apuesta", comentando que la 18ª ICHEP estaba "dominada de hecho por ese mismo descubrimiento". Sin embargo, nadie pagó sus apuestas a Iliopoulos.
Descubrimiento
Glashow predijo que el quark down de un protón podría absorber un W+ y convertirse en un quark charm. Luego, el protón se transformaría en un barión encantado antes de que se desintegre en varias partículas, incluido un barión lambda. A fines de mayo de 1974, Robert Palmer y Nicholas P. Samios encontraron un evento que generaba un barión lambda desde su cámara de burbujas en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Palmer tardó meses en convencerse de que la lambda procedía de una partícula encantada. Sin embargo, el imán de la cámara de burbujas falló en octubre de 1974 y no se encontraron con el mismo evento. Los dos finalmente publicaron el evento a principios de 1975. Michael Riordan comentó que este evento era "ambiguo". y "alentador pero no convincente".
El mesón J/psi (1974)
En 1974, Samuel C. C. Ting buscaba partículas encantadas en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (BNL). Su equipo estaba usando un detector de pares de electrones. A finales de agosto, encontraron un pico de 3,1 GeV y la señal el ancho era inferior a 5 MeV. El equipo finalmente se convenció de que observaron una partícula masiva y la llamaron 'J'. Ting consideró anunciar su descubrimiento en octubre de 1974, pero pospuso el anuncio debido a su preocupación por la relación μ/π durante el experimento.
Mientras tanto, el equipo de Burton Richter en el Centro Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) realizó experimentos el 9 y 10 de noviembre de 1974. También encontraron una alta probabilidad de interacción en 3,1 GeV. Llamaron a la partícula "psi". El 11 de noviembre de 1974, Richter se reunió en el SLAC. Ese día anunciaron su descubrimiento.
Los teóricos inmediatamente comenzaron a analizar la nueva partícula. Se demostró que tiene una vida útil en la escala de 10−20 segundos. Como partículas pesadas similares normalmente no sobrevivirían más de 10−23 segundos, la vida útil de la nueva partícula sugería características especiales. Thomas Appelquist y David Politzer sugirieron que la partícula estaba compuesta por un quark charm y un antiquark charm, con sus espines alineados en paralelo. Los dos llamaron a esta configuración "charmonium". Charmonium tendría dos formas: "orthocharmonium", donde los giros de los dos quarks son paralelos, y "paracharmonium", donde los giros se alinean de forma opuesta. Murray Gell-Mann también creía en la idea del charmonium. Sin embargo, algunos otros teóricos como Richard Feynman inicialmente pensaron que la nueva partícula consistía en un quark up con un antiquark charm.
El 15 de noviembre de 1974, Ting y Richter emitieron un comunicado de prensa sobre su descubrimiento. El 21 de noviembre, SPEAR en el SLAC encontró una resonancia de la partícula J/psi en 3,7 GeV, como predijeron Martin Breidenbach y Terence Goldman. Esta partícula se llamó ψ' ("psi-prime"). A finales de noviembre, Appelquist y Politzer publicaron su artículo teorizando el charmonium. Además, Glashow y Alvaro De Rujula también publicaron un artículo llamado 'Is Bound Charm Found?', en el que utilizaron el quark charm y la libertad asintótica para explicar las propiedades del mesón J/psi.
Finalmente, el 2 de diciembre de 1974, Physical Review Letters (PRL) publicó los documentos de descubrimiento de J y psi, por Ting y Richter respectivamente. El descubrimiento del psi-prime se publicó la semana siguiente. Luego, el 6 de enero de 1975, PRL publicó nueve artículos teóricos sobre la partícula J/psi. Cinco de ellos 'promovieron la hipótesis del encanto y sus variaciones', según Michael Riordan.
Otras partículas encantadas (1975–77)
En abril de 1975, E. G. Cazzoli y otros, incluidos Palmer y Samios, publicaron su anterior evidencia ambigua del barión encantado. En el momento del Simposio Lepton-Photon en agosto de 1975, se habían descubierto ocho nuevas partículas pesadas. Sin embargo, estas partículas tienen cero encanto total. A partir del otoño de ese año, los físicos comenzaron a buscar partículas con un encanto de red o 'desnudo'.
El 3 de mayo de 1976 en SLAC, Gerson Goldhaber y François Pierre identificaron un pico de 1,87 GeV, lo que sugería la presencia de un mesón D encantado neutro según la predicción de Glashow. El 5 de mayo, los dos publicaron un memorando conjunto. Por lo tanto, "encanto desnudo" había sido descubierto. En el momento de la 18ª Conferencia Internacional sobre Física de Altas Energías, se descubrieron más partículas encantadas. Riordan observó que "sólida evidencia de encanto surgió sesión tras sesión" en la conferencia, confirmando la existencia del quark charm. Finalmente, el extraño mesón encantado se descubre en 1977.
Propiedades
El quark encanto es un quark de segunda generación, junto con el quark extraño. Lleva un número cuántico también conocido como encanto. Según la Particle Physics Review de 2022, el quark encantado tiene una masa de 1,27±0.02 GeV/c2, una carga de +2/3 e, y un encanto de +1. La relación entre las masas del quark encanto y el quark extraño es de aproximadamente 11,76+0,05
−0,10.
La matriz CKM describe la interacción débil de los quarks. A partir de 2022, los valores de la matriz CKM relacionados con el quark charm son:
Partículas que contienen el quark encanto
Hay varios mesones encantados, incluidos D± y D0. Los bariones encantados incluyen Λc, Σc, Ξc, Ωc, con varias cargas y resonancias.
En 2002, la colaboración SELEX en Fermilab publicó la primera observación del barión doblemente encantado
Ξ+
cc. Es una partícula de tres quarks que contiene dos quarks charm. El equipo descubrió que los bariones doblemente encantados con un quark up son más masivos y tienen una mayor tasa de producción en comparación con aquellos con un quark down. En 2022, la Colaboración NNPDF encontró evidencia de que existen quarks de encanto intrínsecos en el protón.
Procesos relacionados con el quark encanto
El bosón W puede decaer en hadrones que contienen el quark charm o el antiquark charm. El bosón Z puede decaer en charmonium a través de la fragmentación del quark charm. El bosón de Higgs también puede decaer a
J/ψ
o
η
c a través del mismo mecanismo. Las tasas de decaimiento del bosón de Higgs están 'gobernadas por el acoplamiento Yukawa del quark encanto', según Han et al. Los físicos han llevado a cabo una búsqueda directa de desintegraciones del bosón de Higgs en quarks encantadores utilizando el detector ATLAS. Han determinado que el acoplamiento del encanto de Higgs es más débil que el acoplamiento del fondo de Higgs.