J/ψ-мезон

J/ψ-мезон — это элементарная частица, относящаяся к классу мезонов, представляющая собой связанное состояние очарованного кварка (c) и очарованного антикварка (c̅). J/ψ-мезон является первым открытым представителем семейства частиц, содержащих «очарование» (charm), и одним из ключевых объектов в физике элементарных частиц, подтвердивших существование четвёртого кварка. Его масса составляет приблизительно 3096,9 МэВ/c², что более чем в три раза превышает массу протона, а время жизни — около 7,0×10⁻²¹ секунды, что аномально велико для частицы такой массы.

Открытие

J/ψ-мезон был независимо открыт в 1974 году двумя группами исследователей, что привело к так называемой «Ноябрьской революции» в физике высоких энергий.

Открытие группы Сэмюэла Тинга

Группа под руководством Сэмюэла Тинга (Массачусетский технологический институт, США) проводила эксперименты на протонном синхротроне в Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Исследователи изучали пары электрон-позитрон, рождающиеся при столкновении протонов с бериллиевой мишенью. В спектре масс этих пар был обнаружен резкий пик при энергии около 3,1 ГэВ, что указывало на существование новой частицы. Тинг назвал её J (по форме буквы, напоминающей пик в данных, или в честь первой буквы китайского иероглифа, означающего «масса»). Открытие было сделано в ноябре 1974 года.

Открытие группы Бертона Рихтера

Параллельно группа под руководством Бертона Рихтера (Стэнфордский университет, США) работала на электрон-позитронном коллайдере SPEAR в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC). Исследователи изучали аннигиляцию электронов и позитронов, в результате которой рождались адроны. При энергии столкновения около 3,1 ГэВ наблюдался резкий рост сечения рождения адронов, что также свидетельствовало о существовании новой частицы. Рихтер назвал её ψ (пси) — по форме буквы, напоминающей пик в данных. Открытие также было сделано в ноябре 1974 года.

Последствия открытия

Открытие J/ψ-мезона стало сенсацией в научном мире. Оно подтвердило предсказание о существовании четвёртого кварка (очарованного кварка), сделанное в 1970 году Шелдоном Глэшоу, Джоном Илиопулосом и Лучано Майани (механизм GIM). До этого момента физики знали только три кварка (верхний, нижний и странный). Открытие J/ψ-мезона, который является связанным состоянием очарованного кварка и антикварка, окончательно подтвердило кварковую модель и привело к быстрому развитию Стандартной модели элементарных частиц. За это открытие Сэмюэл Тинг и Бертон Рихтер были удостоены Нобелевской премии по физике в 1976 году.

Кварковый состав и свойства

J/ψ-мезон представляет собой чармоний — связанное состояние очарованного кварка (c) и очарованного антикварка (c̅). Это аналог позитрония (связанное состояние электрона и позитрона), но в сильном взаимодействии.

Основные характеристики

Аномально долгое время жизни

Время жизни J/ψ-мезона (около 7×10⁻²¹ с) примерно в 1000 раз больше, чем можно было бы ожидать для частицы такой массы, распадающейся за счёт сильного взаимодействия. Это объясняется правилом Окубо — Цвейга — Иидзуки (OZI-правило): для распада J/ψ-мезона на лёгкие адроны (например, пионы) необходимо, чтобы очарованный кварк и антикварк аннигилировали, а затем образовались лёгкие кварки. Этот процесс подавлен, так как требует обмена глюонами с высокой энергией. В результате J/ψ-мезон распадается преимущественно за счёт электромагнитного взаимодействия (например, в пару лептонов: e⁺e⁻ или μ⁺μ⁻) или слабого взаимодействия, что и обеспечивает его относительно долгое время жизни.

Распады

J/ψ-мезон распадается несколькими основными способами:

Лептонные распады

Наиболее вероятные распады — на пару лептонов:

• J/ψ → e⁺e⁻ (вероятность около 5,9 %)
• J/ψ → μ⁺μ⁻ (вероятность около 5,9 %)
• J/ψ → τ⁺τ⁻ (вероятность около 0,2 %)

Эти распады происходят за счёт электромагнитного взаимодействия (аннигиляция c и c̅ в виртуальный фотон, который затем рождает лептонную пару). Именно эти распады позволили обнаружить частицу в экспериментах Тинга и Рихтера.

Адронные распады

Распады на адроны (например, пионы, каоны) подавлены OZI-правилом, но всё же возможны. Вероятность адронных распадов составляет около 87,7 % от всех распадов. Наиболее распространённые адронные каналы:

• J/ψ → π⁺π⁻π⁰ (около 2,1 %)
• J/ψ → K⁺K⁻ (около 2,1 %)
• J/ψ → p p̅ (около 0,2 %)

Радиационные распады

J/ψ-мезон может распадаться с испусканием фотона (γ):

• J/ψ → γ η_c (η_c — также чармоний, но с нулевым спином)
• J/ψ → γ f₂(1270) и другие

Эти распады важны для изучения спектра чармония.

Значение в физике

J/ψ-мезон сыграл и продолжает играть важную роль в физике элементарных частиц.

Подтверждение кварковой модели

Открытие J/ψ-мезона стало прямым доказательством существования очарованного кварка. До этого момента кварки рассматривались как математическая абстракция, а их существование не было экспериментально подтверждено. J/ψ-мезон, будучи связанным состоянием c и c̅, окончательно подтвердил кварковую модель.

Развитие Стандартной модели

Открытие J/ψ-мезона стимулировало развитие теории сильных взаимодействий — квантовой хромодинамики (КХД). Изучение его свойств, в частности, аномально долгого времени жизни, помогло понять механизмы сильного взаимодействия и OZI-правило. J/ψ-мезон используется для проверки предсказаний КХД и для изучения свойств глюонов.

Поиск новой физики

J/ψ-мезон является удобным объектом для поиска отклонений от Стандартной модели. Например, аномалии в его распадах могут указывать на существование новых частиц или взаимодействий. Современные эксперименты на коллайдерах (например, LHCb в ЦЕРНе) продолжают изучать J/ψ-мезон и его возбуждённые состояния.

Семейство чармония

J/ψ-мезон — это не единственная частица, состоящая из c и c̅. Существует целое семейство чармония, включающее:

• η_c (масса около 2980 МэВ/c²) — псевдоскалярный чармоний (спин 0).
• ψ(3686) (масса около 3686 МэВ/c²) — первое возбуждённое состояние J/ψ-мезона.
• ψ(3770) (масса около 3770 МэВ/c²) — ещё одно возбуждённое состояние.
• χ_c0, χ_c1, χ_c2 — чармониевые состояния с орбитальным возбуждением.

Изучение спектра чармония позволяет проверять предсказания КХД и модели сильных взаимодействий.

Интересные факты

• Название «J/ψ-мезон» является компромиссным: буква «J» от Тинга, «ψ» от Рихтера. В научной литературе часто используется обозначение J/ψ.
• Открытие J/ψ-мезона произошло в ноябре 1974 года, поэтому это событие называют «Ноябрьской революцией» в физике.
• J/ψ-мезон — одна из немногих частиц, время жизни которой аномально велико для её массы. Это делает её удобным объектом для изучения.
• В 1976 году Сэмюэл Тинг и Бертон Рихтер получили Нобелевскую премию по физике «за новаторские работы по открытию тяжелой элементарной частицы нового типа».

Источники

• Particle Data Group (PDG) — Review of Particle Physics, 2022.
• S. C. C. Ting et al., "Discovery of a Narrow Resonance in e⁺e⁻ Annihilation", Physical Review Letters, 1974.
• B. Richter et al., "Discovery of a Narrow Resonance in e⁺e⁻ Annihilation", Physical Review Letters, 1974.
• M. Gell-Mann, "A Schematic Model of Baryons and Mesons", Physics Letters, 1964.
• S. L. Glashow, J. Iliopoulos, L. Maiani, "Weak Interactions with Lepton-Hadron Symmetry", Physical Review D, 1970.