Charmkvark (c): Definition, egenskaber, J/ψ og D-mesoner

Lær om charmkvarken (c): egenskaber, ladning, spin og dens rolle i J/ψ- og D-mesoner samt betydningen for partikkelfysikkens banebrydende novemberrevolution.

Charm-kvarker eller c-kvarker er den tredjemest massive af de seks kvarker i standardmodellen. Som andre kvarker antages de at være så små, at de ikke kan deles — de er derfor elementarpartikler. Ligesom up-kvarker har charm-kvarken en elektrisk ladning på +2/3 e og et spin på 1/2, fordi de er fermioner. Charm-kvarker bærer desuden farve-ladning og deltager i den stærke vekselvirkning, hvilket betyder, at de aldrig observeres isoleret men altid som bestanddele af andre partikler.

Egenskaber

• Masseegenskab: Den løbende (MS-bar) masse for charm-kvarken er omkring 1,27 GeV/c²; som bestanddel i hadroner tales ofte om en større "konstituentmasse" på ~1,5 GeV/c².
• Elektrisk ladning: +2/3 e, samme som up-kvarken.
• Spin: 1/2 (fermion).
• Farve: Charm bærer farve-ladning og indgår i kvantemekanisk farvekombination i mesoner og baryoner.
• Kvote: Charm-kvantetallet (C) er +1 for en c-kvark og −1 for en anticharm (c̄). Charm bevares i stærke og elektromagnetiske vekselvirkninger, men kan ændres via svage vekselvirkninger.

Hvordan dannes charm-kvarker?

Charm-kvarker dannes typisk i højenergi-kollisioner, for eksempel i partikelacceleratorer, hvor man smadrer atomer eller partikler sammen ved meget høje energier. Fordi charm er tungere end up og down, kræves relativt stor energi for at producere et c c̄-par. Efter produktionen hadroniserer kvarkerne hurtigt og danner charmerede hadroner såsom D-mesoner eller charmoniumtilstande (c c̄).

J/ψ og charmonium

Et af de mest kendte charmoniumsystemer er J/ψ-mesonen (et bundet c c̄-par). J/ψ har en masse på cirka 3,097 GeV/c² og er bemærkelsesværdig ved sin relativt smalle resonansbredde — den lever længere end mange andre hadroniske excitationer og kan detekteres via henfald til leptonpar, f.eks. e⁺e⁻ eller μ⁺μ⁻. Opdagelsen af J/ψ i 1974 (uafhængigt af to eksperimentelle grupper) var et vendepunkt i partikel-fysikken og udløste den såkaldte "novemberrevolution", fordi opdagelsen understøttede eksistensen af en ny kvarktaste (charm) og førte til hurtige gennembrud i forståelsen af standardmodellen.

D-mesoner og andre charmerede partikler

D-mesoner indeholder én charm-kvark bundet til en let antikvark. De mest almindelige er:

• D⁰ (cū) med en masse omkring 1,865 GeV/c².
• D⁺ (cd̄) med en masse omkring 1,869 GeV/c².
• D_s⁺ (c s̄) med en masse omkring 1,968 GeV/c².

D-mesoner henfalder via den svage vekselvirkning og har typisk levetider i størrelsesordenen 10⁻¹³–10⁻¹² sekunder. Studier af D-mesoner har været vigtige for at observere fænomener som D⁰–D̄⁰-mixing og for at søge efter CP-brud i det charmerede system.

Betydning i forskningen

Charm-kvarker og charmerede hadroner er nyttige værktøjer i eksperimentel elementarpartikelfysik: de bruges til præcisionsmålinger af svage vekselvirkninger, tests af kvantede kromodynamik (QCD) i ikke-perturbative områder og søgninger efter ny fysik via sjældne henfald eller afvigelser fra standardmodellens forventninger. De fremstilles i store tal i moderne acceleratoreksperimenter og i højenergetiske kosmiske processer.

Bemærk: Selvom charm-kvarker kan optræde i laboratorieproducerede partikler, findes de ikke som frie, isolerede kvarker i naturen på grund af farve-konfinement; de optræder altid indlejret i hadroner.

Opdagelsen af charm-kvarker — og J/ψ-mesonen — førte til en række hurtige videnskabelige gennembrud. Disse begivenheder er kendt som novemberrevolutionen.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er charmerende kvarker?

Sp: Hvad er massen af charm-kvarker?

Spørgsmål: Hvor kan man finde charm-kvarker?

Spørgsmål: Er charm-kvarker almindelige i naturen?

Spørgsmål: Hvilken betydning har opdagelsen af charm-kvarker og J/ψ-mesoner?

Spørgsmål: Hvad er charmet-karks' ladning?

Spørgsmål: Hvilken slags partikler er charm-karks?

Søg efter bogstav