3. Тяжелые кварки - c, b, t

Годом открытия c-кварка является 1974-й, когда впервые наблюдали связанное состояние . Этим состоянием является мезон J/, обнаруженный одновременно в двух экспериментах - в e^-e⁺-соударениях в лаборатории SLAC (Стэнфорд, США) на e^-e⁺-коллайдере SPEAR и на ускорителе AGS (Брукхэйвен, США) в соу-дарениях протонов с энергией 28 ГэВ с бериллиевой мишенью. Ли-дерам соответствующих экспериментальных групп - Рихтеру и Тин-гу - в 1976 г. за это открытие присуждена Нобелевская премия (дво-йное название новой частицы J/ (джи-пси) - следствие того, что группа Рихтера присвоила ей символ , а группа Тинга - символ J).

На рис.11.13 показаны результаты группы Рихтера по наблюдению J/-мезона. Этот мезон наблюдается в виде острого резонанса с массой около 3.1 ГэВ/c². Наблюдаемая ширина резонанса определяется экспериментальным разрешением по массе. Истинная ширина J/ гораздо меньше и по последним данным (1998 г.) составляет 875 кэВ. Помимо J/ наблюдается серия мезонных резонансов, отвечающих связанной -системе, получившей название чармония (более общее название систем- кварконий). Таким образом, различные типы-мезонов это различные состояния чармония.

Ðèñ. 11.13.

В 1977 г. в Fermilab (США) в соударениях протонов с энергией 400 ГэВ с ядрами были обнаружены связанные состояния системы в области энергий 9-11 ГэВ. Позже в e^-e⁺-столкновениях со значительно лучшим энергетическим разрешением были уточнены характеристики обнаруженных резонансов, а также найдены новые состояния -системы, получившей названия боттомония. Обнаружение боттомония означало открытие пятого кварка - bottom. Также как и в случае чармония, каждое состояние (уровень) боттомония, наблюдающееся в виде узкого резонанса (рис.11.14), это отдельный мезон с кварковой структурой. Сравнение схем уровней чармония (), боттомония () и позитрония (e^-e⁺) выявляет большое сходство между ними (если отвлечься от масштаба энергий) и показывает, что эти водородоподобные системы могут быть описаны на единой основе как связанные состояния пар фермион-антифермион. При этом хорошее воспроизведение спектра кваркония дает использование потенциала типа воронки (рис.11.3).

Самое нижнее состояние боттомония с массой 9.46 ГэВ получило название ипсилон (). По этой причине боттомоний иногда называют ипсилон-системой.

Ðèñ. 11.14

Уровни чармония и боттомония, классифицируют также, как уровни позитрония, используя обозначения атомной спектроско-пии. В настоящее время найдено 10 уровней чармония и 12 уровней боттомония. Все они отвечают состояниям системы с относительными орбитальными моментами L=0 (S-состояние) или 1 (P-состояние). В табл.11.1 даны характеристики упомянутых в тексте и на рисунках состояний чармония и боттомония.

Обращает на себя внимание малая ширина распада приведенных в табл.11.1 частиц, соответствующая времени жизни 10^-20 сек, характерному для быстрых электромагнитных распадов. Это объясняется тем, что распад систем èчерез промежуточную аннигиляцию в глюоны сильно подавлен, т.к. из-за точечности кварков требует их сближения до малых расстояний, при которых цветовое взаимодействие между ними резко ослабевает (асимптотическая свобода). По этой причине такой тип распада, хотя и остается главным для приведенных в табл.11.1 частиц (70% для J/), становится сравнимым с электромагнитными распадами, идущими через промежуточную аннигиляциюèв фотон (30% для J/).

Таблица 11.1