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粲夸克

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粲夸克(Charm Quark)
组成基本粒子
费米子
第二
基本相互作用强相互作用弱相互作用电磁相互作用引力相互作用
符号c
理论格拉肖 李尔普罗斯梅安尼 (1970年)
发现
质量1.275+0.025
−0.035
 GeV
[1]
衰变粒子
电荷+2/3e
色荷Yes
自旋1/2

粒子物理学标准模型里有六种夸克粲夸克(Charm quark)是其中一种,其它五种分别为上夸克下夸克奇夸克顶夸克、与底夸克。粲夸克的符号为c。粲夸克的反粒子被称为“反粲夸克”。[4]:49

粲夸克与奇夸克是第二代夸克的成员,粲夸克的质量为1.275+0.025
−0.035
 GeV
电荷为+2/3 e[1]如同其它夸克,粲夸克是一种自旋1/2费米子,会感受到所有四种相互作用:引力相互作用电磁相互作用弱相互作用强相互作用。在很多种强子里都含有粲夸克,例如,D介子粲Σ重子等。

1970年,哈佛大学物理教授谢尔登·格拉肖和他的两个博士后约翰·李尔普罗斯卢西恩·梅安尼预测粲夸克存在。粲夸克和它的反粒子可以组成J/ψ介子,其在1974年分别由布鲁克海文国家实验室丁肇中斯坦福直线加速器中心伯顿·里克特分别独立发现。在粒子物理学历史上,这发现被称为“十一月革命”。

历史

理论预测

1964年,谢尔登·格拉肖詹姆斯·比约肯猜测,除了上夸克、下夸克和奇夸克以外,还存在有第四种夸克。这是因为在轻子与夸克之间有些奇特奥妙的相似之处:已发现的轻子有四种,分别为电子电中微子μ子μ中微子,而已发现的夸克有三种,分别为上夸克、下夸克、顶夸克,为什么有四种轻子,但只有三种夸克,假若有四种夸克,那岂不是更美好?[4]:42-43他们还特别给这假定存在的夸克取名为“粲夸克”。[5]:200然而,它们的猜测并未受到重视,因为缺乏实验支持。[6]:345按照在那时期的主流理论,K0
应该会通过发射中性Z玻色子,在过程中改变粒子的奇异数,从而制成μ
μ+
,这过程称为味改变的中性流英语flavor changing neutral current过程。可是,已经十年了,仍旧没有任何实验找到这衰变过程的踪迹,不知道为什么这过程被压抑地异常罕见。

关于粲夸克存在的理论预测归功于格拉肖、李尔普罗斯、梅安尼。[7]:247-248他们在1970年提出了GIM机制,其通过引入第四种夸克来压抑味改变的中性流过程。K0
可以通过发射中性Z玻色子变换成μ
μ+
,也可以通过发射中性Z玻色子变换成粲粒子,由于这两种衰变路径相互抵消,因此导致中性流过程被压抑。[7]:250 。格拉肖对于粲夸克理论非常有信心,他在一场于1974年举办的国际会议里誓言,如果在两年内未找到粲夸克,他就会把他的帽子吃掉![5]:202[7]:266

实验发现

1974年11月11日,布鲁克海文国家实验室丁肇中实验团队和斯坦福直线加速器中心伯顿·里克特实验团队分别独立发现J/ψ介子[6]:346丁肇中实验团队做实验将高能量质子朝着标靶射击,在碰撞产物中,寻找正负电子对,从研究这些粒子对,可以推断出母粒子的性质。1974年9月它们找到总能量为3.1GeV的正负电子对出现频率非常多,这意味着一种带质量的新粒子被大规模制成。丁肇中做实验非常小心谨慎,学术名誉甚佳,不愿意发表任何错误结果,由于尚未能确定这实验结果不是某种错误电子信号。之后几周,丁肇中秘密地分析核对他的实验数据,为了要确定这结果是否属实,并且不让其他研究团队抢夺头功。[5]:1

在斯坦福直线加速器中心 ,里克特实验团队设计与建成了一种新型对撞机英语collider斯坦福正负电子非对称环英语Stanford Positron Electron Asymmetric Rings(SPEAR),在这对撞机里,电子与正电子以相反方向转动与碰撞。[8]11月10日,他们在3.105GeV找到很多粒子被制成的事件,意味着一种新粒子被发现,他们将这粒子命名为“ψ介子”,并且决定明日发布这消息。那日,丁肇中恰巧要去SLAC 开会,他知悉里克特实验团队发现新粒子的消息后,立刻决定也将自己团队的发现公诸于世,并且将这粒子命名为“J介子”。[7]:272

11月11日早上8点钟,丁肇中与里克特在SLAC实验室主任沃尔夫冈·帕诺夫斯基的办公室会面,经过一番沟通后,才搞清楚他们发现的新粒子是同样一种粒子,尽管他们使用不同的方法。[5]:5-6他们立刻将他们的实验结果分别写成两份报告,发表在《物理评论快报》的12月份期刊。 J/ψ介子的发现在粒子物理学里引起一场小革命,后来被称为“十一月革命”,[5]:6因为J/ψ介子被视为是间接展现出粲夸克的存在,实际而言,粲夸克与反粲夸克共同组成了J/ψ介子,换句话说,十一月革命发现了粲夸克,其意味着量子色动力学夸克模型理论并不是纸上空谈,由于粲夸克的发现,强子被证实是由夸克组成。[6]:346

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 M. Tanabashi et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics. Physical Review D. 2018, 98 (3): 030001. doi:10.1103/PhysRevD.98.030001. 
  2. ^ R. Nave. Transformation of Quark Flavors by the Weak Interaction. [2010-12-06]. The c quark has about 5% probability of decaying into a d quark instead of an s quark. 
  3. ^ K. Nakamura et al. (Particle Data Group); 等. Review of Particles Physics: The CKM Quark-Mixing Matrix (PDF). Journal of Physics G. 2010, 37 (75021): 150. Bibcode:2010JPhG...37g5021N. doi:10.1088/0954-3899/37/7a/075021. 
  4. ^ 4.0 4.1 Griffiths, David J., Introduction to Elementary Particles 2nd revised, WILEY-VCH, 2008, ISBN 978-3-527-40601-2 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 Barnett, R. Michael; Muehry, Henry; Quinn, Helen, The Charm of Strange Quarks: Mysteries and Revolutions of Particle Physics illustrated, Springer Science & Business Media, 2013, ISBN 9780387215341 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 Kragh, Helge. Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century Reprint. Princeton University Press. 2002. ISBN 978-0691095523. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 Baggott, Jim, The Quantum Story: A History in 40 Moments illustrated, reprint, OUP Oxford, 2011, ISBN 9780199566846 
  8. ^ Soliday, Amanda, The November Revolution, Symmetry, 2014, (原始内容存档于2019-03-11) 
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