Mesone J/Psi
| J/ψ | |
|---|---|
| Composizione | 1 quark charm, 1 antiquark charm |
| Famiglia | Bosone |
| Gruppo | Mesone |
| Interazioni | forte, debole, forza elettromagnetica, gravità |
| Simbolo | J/ψ |
| Antiparticella | Self |
| Scoperta | SLAC: Burton Richter et al. (1974) BNL: Samuel Ting et al. (1974) |
| Proprietà fisiche | |
| Massa | 5,5208×10−27 kg 3,096916 GeV/c2 |
| Carica elettrica | 0 e 0 C |
Il mesone J/ψ è una particella subatomica di sapore-neutro costituito da un quark charm e un'antiquark charm. I mesoni formati da un stato legato di un quark charm e un anti-quark charm sono generalmente conosciuti come "charmonium". Il mesone J/ψ è il primo stato eccitato di charmonium (vale a dire, la forma del charmonium con la seconda massa a riposo più piccola). Il mesone J/ψ ha una massa a riposo di 3,0969×109 e un vita media di 7,2×10−21. Questa durata era di circa un migliaio di volte [senza fonte] più lunga delle aspettative.
La sua scoperta venne fatta indipendentemente da due gruppi di ricerca, uno allo Stanford Linear Accelerator Center, capeggiato da Burton Richter, e uno al Brookhaven National Laboratory, condotto da Samuel Ting al MIT. Essi scoprirono di avere effettivamente trovato la stessa particella, e entrambi annunciarono le loro scoperte l'11 novembre del 1974. L'importanza di questa scoperta è evidenziata dal fatto che i successivi rapidi mutamenti nella fisica ad alta energia del tempo divenne nota unanimemente come la "rivoluzione di novembre". Richter e Ting vennero ricompensati per la loro scoperta condivisa con il Premio Nobel per la fisica nel 1976.
Background della scoperta
Il background della scoperta del mesone J/ψ fu sia teorico che sperimentale. Negli anni '60 vennero proposti i primi modelli di quark della fisica delle particelle elementari, i quali proponevano che i protoni, neutroni e tutti gli altri barioni, e anche tutti i mesoni, siano costituiti da tre tipi di particelle frazionariamente-caricate, i "quark", disponibili in tre tipi diversi o "sapori", chiamati quark up, down e strange. Nonostante la capacità impressionante dei modelli a quark nel portare ordine nello "zoo delle particelle elementari", il loro status era considerato allora qualcosa di simile a una finzione matematica, un artefatto di ragioni fisiche più profonde.
A partire dal 1969, gli esperimenti di dispersione anelastica profonda allo SLAC rivelarono prove sperimentali sorprendenti riguardanti le particelle all'interno dei protoni. Inizialmente, se fossero stati quark o qualcosa altro questo non si sapeva. Molti esperimenti sono stati necessari per identificare appieno le proprietà dei componenti subprotonici. Come prima approssimazione, erano infatti i quark già descritti.
Sul fronte teorico, le teorie di gauge con simmetria rotta divennero le prime vitali contendenti nello spiegare efficientemente l'interazione debole dopo che Gerardus 't Hooft scoprì nel 1971 come calcolare con quelle al di là del livello ad albero. La prima prova sperimentale per queste teorie di unificazione elettrodebole fu la scoperta nel 1973 della corrente neutra debole. Le teorie di gauge insieme ai quark divennero nel 1973 dei vitali contendenti per l'interazione forte quando fu identificato il concetto di libertà asintotica.
Tuttavia, una miscela ingenua della teoria elettrodebole e del modello a quark portò a calcoli sulle modalità di decadimento conosciute che contraddicevano l'osservazione: in particolare, si prevedeva il decadimento del cambiamento di sapore mediato dal bosone Z di un quark strange in un quark down, ma questo non fu osservato. Un'idea del 1970 di Sheldon Glashow, John Iliopoulos e Luciano Maiani, nota come meccanismo di GIM, mostrava che i decadimenti di cambiamento di sapore sarebbero eliminati se ci fosse un quarto quark, charm, che si accoppiasse con il quark strange. Questo lavoro portò, entro l'estate del 1974, a previsioni teoriche di come sarebbe un mesone charm/anti-charm. Tali previsioni furono ignorate. Il lavoro di Richter e Ting è stato fatto per altri motivi, in gran parte per esplorare i nuovi regimi di energia.
Denominazione
A causa della scoperta quasi simultanea, il bosone J/ψ è l'unica particella elementare ad avere un nome con due lettere. Richter la chiamò "SP", dal nome dell'acceleratore SPEAR utilizzato allo SLAC; tuttavia, a nessuno dei suoi collaboratori piacque questo nome. Dopo essersi consultato con il greco di nascita Leo Resvanis per vedere quale lettera greca fosse ancora disponibile, e rifiutando la "iota" perché il suo nome implicava scarsa rilevanza, Richter scelse "psi" - un nome che, come Gerson Goldhaber pone in evidenza, contiene le lettere del nome originale "SP", ma in ordine inverso.[1] Coincidentalmente, successivamente le immagini della camera a scintille spesso ricordavano la forma psi. Ting le assegnò il nome "J", che è una lettera rimossa dal "K", il nome del già noto mesone strange; forse per coincidenza, la "J" somiglia fortemente all'ideogramma che sta per il nome cinese di Ting (丁). (Cfr. la denominazione del Gallio.)
Dal momento che la comunità scientifica ha ritenuto ingiusto dare la priorità a uno dei due scopritori, le pubblicazioni successive hanno fatto riferimento alla particella come "J/ψ".
Il primo stato eccitato della J/ψ venne chiamato ψ'. È adesso definito come ψ(2S) o occasionalmente ψ(3686), indicando così rispettivamente il suo stato quantico o la massa in MeV. Altri stati charm-anticharm di vettore sono indicati similmente con ψ e lo stato quantico (se noto) o la massa.[2] La "J" non è utilizzata, in quanto per primo il gruppo di Richter da solo scoprì gli stati eccitati.
Il nome charmonium viene usato per il J/ψ e altri stati legati charm-anticharm. Questo è in analogia con il positronio, il quale è anche costituito da una particella e dalla sua antiparticella (un elettrone e un positrone nel caso del positronio).
Fusione J/ψ
In un mezzo QCD caldo, quando la temperatura s'innalza ben oltre la temperatura di Hagedorn, si prevede che J/ψ e le sue eccitazioni fondano.[3] Questo è uno dei segnali previsti della formazione del plasma di quark e gluoni. Gli esperimenti sullo ione pesante con il Super Proton Synchrotron al CERN e con il collisionatore di ioni pesanti relativistici del BNL hanno studiato a partire dal 2009 questo fenomeno senza un risultato conclusivo. Ciò è dovuto all'esigenza che la scomparsa dei mesoni J/ψ sia valutata secondo la linea di base di riferimento fornita dalla produzione totale di tutte le particelle subatomiche contenenti quark, e perché è ampiamente prevedibile che alcuni dei J/ψ siano prodotti e/o distrutti al momento dell'adronizzazione del QGP. Pertanto vi è incertezza nelle condizioni prevalenti delle collisioni iniziali.
Infatti, invece della soppressione, è prevista la produzione migliorata di J/ψ[4] negli esperimenti con ioni pesanti al LHC dove il meccanismo di produzione di quark ricombinanti deve essere dominante data l'abbondanza di quark charm nel QGP. Da parte dei J/ψ, il mesoni B charmed (Bc), offrono una traccia indicante che i quark si muovono liberamente e si legano a volontà quando si combinano per formare adroni.[5][6]
Modi di decadimento
I modi di decadimento adronico dei J/ψ sono fortemente soppressi a causa della regola di OZI. Questo effetto aumenta fortemente la vita della particella e in tal modo si fornisce la sua strettissima larghezza di decadimento di appena 93,2±2,1 keV. A causa di questa forte soppressione il decadimento elettromagnetico comincia a competere con il decadimento adronico. Per questo motivo J/ψ ha per i leptoni una significativa frazione di decadimento.
Voci correlate
Note
- ^ (EN) Physics Folklore, su ed.fnal.gov, QuarkNet, 08-08-2006. URL consultato il 13-04-2009.
- ^ (EN) Roos, M., Wohl, C.G.; (Particle Data Group), Naming schemes for hadrons (PDF), su pdg.lbl.gov, 2004. URL consultato il 13-04-2009.
- ^ (EN) Matsui, T., Satz, H., J/ψ suppression by quark-gluon plasma formation, in Physics Letters B, vol. 178, 1986, p. 416, DOI:10.1016/0370-2693(86)91404-8. URL consultato il 28-04-2010.
- ^ (EN) Thews, R.L.;, Schroedter, M.; Rafelski, J., Enhanced J/ψ production in deconfined quark matter, in Physical Review C, vol. 63, 2001, p. 054905, DOI:10.1103/PhysRevC.63.054905, arΧiv:hep-ph/0007323. URL consultato il 28-04-2010.
- ^ (EN) Schroedter, M.;, Thews, R.L.; Rafelski, J., Bc-meson production in ultrarelativistic nuclear collisions, in Physical Review C, vol. 62, 2000, p. 024905, DOI:10.1103/PhysRevC.62.024905, arΧiv:hep-ph/0004041. URL consultato il 28-04-2010.
- ^ (EN) Fulcher, L.P., Rafelski, J.; Thews, R.L., Bc mesons as a signal of deconfinement, su arxiv.org, 1999. URL consultato il 28-04-2010.
