Quarkonium

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Nella fisica delle alte energie, un quarkonium (pl. quarkonia) è un mesone costituito da un quark charm o un quark bottom e dal proprio antiquark, e di conseguenza privo di sapore. Tali particelle sono chiamate rispettivamente charmonium e bottomonium.

Esempi di quarkonia sono la particella J/ψ (che è un charmonium) e la particella Υ (che è un bottomonium). A causa dell'alta massa del quark top, un "toponium" non esiste, poiché tale quark decade per interazione elettrodebole prima che si possa formare lo stato legato. Mesoni costituiti da quark leggeri e dal loro antiquark generalmente non vengono chiamati quarkonia, anche a causa del fatto che possono parzialmente mescolarsi gli uni con gli altri[non chiaro].

A causa della grande differenza di massa tra quark charm o bottom e gli altri quark, le famiglie dei charmonia e bottomonia non si mescolano fra di loro o con altri mesoni privi di sapore.

Charmonium[modifica | modifica wikitesto]

Nella tabella qui sotto riportata, la medesima particella può essere chiamata con la sua numerazione spettroscopica oppure con quella della sua massa. In alcuni casi vengono utilizzati stati di eccitazione: Ψ' è il primo stato di eccitazione di Ψ (per motivi storici quest'ultima particella è chiamata J/ψ); Ψ" è il secondo stato e così via. In pratica i nomi nella stessa casella sono sinonimi.

Alcuni di questi stati sono già previsti ma non sono stati ancora scoperti; altri non sono confermati. I numeri quantici della particella X(3872) sono sconosciuti; la sua identità è controversa e potrebbe essere:

  • un candidato per lo stato 13D2;
  • uno charmonium in stato ibrido;
  • una molecola D^0\bar D^{*0}.
Termine spettroscopico IG(JPC) Particella Massa (MeV)
11S0 0+(0−+) ηc(1S), or ηc(2980) 2 980.3 ± 1.2
13S1 0(1−−) J/ψ(1S) 3 096.916 ± 0.011
11P1 0(1+−) hc(1P) 3 525.93 ± 0.27
13P0 0+(0++) χc0(1P) 3 414.75 ± 0.31
13P1 0+(1++) χc1(1P) 3 510.66 ± 0.07
13P2 0+(2++) χc2(1P) 3 556.20 ± 0.09
21S0 0+(0−+) ηc(2S), or \eta_c\!' 3 637 ± 4
23S1 0(1−−) ψ(3686) 3 686.09 ± 0.04
11D2 0+(2−+) ηc2(1D)[1]
13D1 0(1−−) ψ(3770) 3 772.92 ± 0.35
13D2 0(2−−) ψ(3836)[2]
13D3 0(3−−) ψ3(1D)[1]
21P1 0(1+−) hc(2P)[1]
23P0 0+(0++) χc0(2P)[1]
23P1 0+(1++) χc1(2P)[1]
23P2 0+(2++) χc2(2P)[1]
 ???? 0?(??)[3] X(3872) 3 872.2 ± 0.8

Bottomonium[modifica | modifica wikitesto]

Nella tabella seguente la stessa particella può essere chiamata con la numerazione spettroscopica o con quella della sua massa.

Alcuni di questi stati sono previsti ma non ancora scoperti; altri non sono confermati.

Termine spettroscopico IG(JPC) Particella Massa (MeV)
11S0 0+(0−+) ηb(1S)[4] 9 390.9 ± 2.8
13S1 0(1−−) Υ(1S) 9 460.30 ± 0.26
11P1 0(1+−) hb(1P)
13P0 0+(0++) χb0(1P) 9 859.44 ± 0.52
13P1 0+(1++) χb1(1P) 9 892.76 ± 0.40
13P2 0+(2++) χb2(1P) 9 912.21 ± 0.40
21S0 0+(0−+) ηb(2S)
23S1 0(1−−) Υ(2S) 10 023.26 ± 0.31
11D2 0+(2−+) ηb2(1D)
13D1 0(1−−) Υ(1D)
13D2 0(2−−) Υ2(1D) 10 161.1 ± 1.7
13D3 0(3−−) Υ3(1D)
21P1 0(1+−) hb(2P)
23P0 0+(0++) χb0(2P) 10 232.5 ± 0.6
23P1 0+(1++) χb1(2P) 10 255.46 ± 0.55
23P2 0+(2++) χb2(2P) 10 268.65 ± 0.55
33S1 0(1−−) Υ(3S) 10 355.2 ± 0.5
33PJ 0+(J++) χ(3P) 10 530 ± 5 (stat.) ± 9 (sist.)
43S1 0(1−−) Υ(4S) or Υ(10580) 10 579.4 ± 1.2
53S1 0(1−−) Υ(10860) 10 865 ± 8
63S1 0(1−−) Υ(11020) 11 019 ± 8

Cromodinamica quantistica (QCD) e quarkonia[modifica | modifica wikitesto]

Il calcolo delle proprietà dei mesoni all'interno della QCD è completamente non-perturbativo. Il risultato è che esso è l'unico metodo generale a disposizione in un calcolo della QCD su reticolo. Dovrebbero però esserci delle semplificazioni per i quarkonia pesanti.

I quark leggeri in un mesone si muovono a velocità relativistiche perché la massa dello stato limite è molto più grande della massa del quark. I quark charm e bottom nei loro quarkonia si muovono relativamente lenti. È stato calcolato che la velocità, v, è 0.3 volte la velocità della luce per il quark charm e 0.1 per il bottom. È quindi possibile considerare tale calcolo come uno sviluppo in potenze di v ed è chiamato cromodinamica quantistica non-relativistica (NRQCD).

La NRQCD è stata quantizzata anche come una teoria di gauge su reticolo. Questo rende il calcolo delle proprietà del quarkonium in qualche modo più semplice. È stato riscontrato un buon accordo con le masse del bottomonium. In verità ciò fornisce uno dei migliori test non-perturbativi della QCD. Per la famiglia charm la corrispondenza non è così buona. Presumibilmente v non è abbastanza piccola perché la NRQCD sia abbastanza accurata.

La scomparsa dei quarkonia è stata proposta come mezzo per provare la formazione di plasma quark-gluoni durante gli esperimenti.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ a b c d e f Prevista ma non ancora identificata
  2. ^ Candidata, necessita di conferma
  3. ^ Interpretata come uno charmonium 1−− privo di sapore
  4. ^ Risultati preliminari, necessitano di conferma
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