Чармов кварк (c-кварк): свойства, заряд и откриване (J/ψ, D-мезони)

Чармов кварк (c-кварк): свойства, заряд +2/3, спин 1/2 и методи за откриване в J/ψ и D-мезони. История, експериментални доказателства и значение в съвременната физика.

Шармовите кварки или c-кварките са третите по масивност от шестте кварка. Подобно на всички кварки се смята, че те са толкова малки, че не могат да бъдат разделени. (Поради тази причина се наричат елементарни частици.) Подобно на до-кварките, чаровните кварки имат заряд +2/3. Въпреки че чаровните кварки не се срещат изключително често, те могат да бъдат открити в частици, създадени от ускорители на частици (които разбиват атоми при изключително високи скорости), като J/ψ мезони, D мезони и други чаровни частици. Тъй като те са фермиони (частици, които не могат да имат повече от една такава частица на едно и също място по едно и също време), чаровните кварки имат спин 1/2.

Основни свойства

• Електричен заряд: +2/3 e (като при u-кварка).
• Спин: 1/2 (фермионско поведение).
• Маса: приблизителна маса в схемата MSbar ~1.27 GeV/c² (в зависимост от дефиницията на масата полюсната маса е малко по-голяма, ~1.4–1.6 GeV/c²).
• Цвят: носят цветен заряд (три цветови състояния) и участват в силното взаимодействие; поради конфайнмънта не се наблюдават като свободни частици.
• Чарм-квантово число: C = +1 за c-кварка (античастицата c̄ има C = −1 и заряд −2/3).

Чармонни състояния: J/ψ и D-мезони

Комбинацията от чармов кварк и анти‑чарм (c c̄) образува семейството на чармонния мезон (charmonium). Най-известният представител е J/ψ (понякога записван като J/ψ или ψ), резонанс с маса около 3.097 GeV/c². J/ψ е тесен резонанс (малка ширина на разпадане) и често се детектира чрез чистите канали на разпад при двойки лептони, напр. J/ψ → e⁺e⁻ или μ⁺μ⁻, което го прави ценен "чист" маркер за присъствието на чарм.

D-мезоните съдържат по един чармов кварк в комбинация с лек кварк: например D⁰ (c ū), D⁺ (c d̄) и техните антимезони. Масите на D-мезоните са от порядъка на ≈1.86 GeV/c². Те се разпадат чрез слабото взаимодействие и имат времена на живот от порядъка 10⁻¹³–10⁻¹² s (напр. τ(D⁰) ≈ 0.41 ps, τ(D⁺) ≈ 1.04 ps).

Откриване и историческо значение

Откриването на чаровните кварки — и по-специално на J/ψ мезона през ноември 1974 г. — предизвика бърза и драматична промяна в представите на физиката на частиците и това събитие е известно като "Ноемврийска революция". Резонансът бе наблюдаван почти едновременно от два независими експеримента и резултатите утвърдиха съществуването на нов вид кварк, подкрепяйки кварк-модела и водейки към развитието на Стандартния модел.

Производство и детекция

• Производство: чармови кварки и чарм‑състояния се произвеждат в електрон-позитронни сблъсъци (e⁺e⁻), в адронни колайдери (pp, p̄p), при фиксирани мишени с високоенергийни лъчи и в тежките йонни сблъсъци. Процесите включват директно производство c c̄ или производство през разпад на по-тежки частици.
• Детекция: J/ψ се търси по каналите с лептони (e, μ), докато D-мезоните се реконструират чрез техните хадронни и семилептонни разпади (например D → Kπ, D → Kππ и др.). Съвременните детектори използват траектографии, идентификация на частици и временни измервания за отделяне на чармови разпади от фон.

Значение за физиката

• Изучаването на чарма дава възможност за тестове на квантовата хромодинамика (QCD) в междинния енергиен диапазон, където ефектите на конфайнмънт и некнизи (nonperturbative) са важни.
• Чаровата физика позволява изучаване на слабото взаимодействие и елементи на матрицата на Кабибо–Кобаяши–Маскава (CKM), като напр. V_cs и V_cd, чрез измерване на скорости и спектри на разпади.
• Наблюдения като D⁰–D̄⁰ миксиране и малки CP‑нарушения в чармовите разпади се използват за търсене на физика отвъд Стандартния модел.

В резюме, чармовите кварки са ключова съставна част на модела на фундаменталните частици: имат ясно определени квантови числа (заряд +2/3, спин 1/2, чарм-квантово число +1), не се наблюдават свободно заради конфайнмънта и се проявяват чрез богато семейство на чармонни и чарм-съдържащи хадрони като J/ψ и D-мезоните, които са и важни инструменти за изследване на силните и слабите взаимодействия.

Въпроси и отговори

В: Какво представляват чаровните кварки?

Въпрос: Каква е масата на чаровните кварки?

Въпрос: Къде могат да бъдат открити чаровните кварки?

В: Разпространени ли са чаровните кварки в природата?

Въпрос: Какво е значението на откриването на чармените кварки и J/ψ мезоните?

В: Какъв е зарядът на чарм кварките?

Въпрос: Какви частици са чаровните кварки?

Търсене по буква