Открытие c-кварка оказалось, несмотря на теоретические
предсказания, полной неожиданностью.
В 1974 году одновременно две группы физиков объявили о
наблюдении новой частицы - .
Группа
С. Тинга
наблюдала J/ψ-мезон
как резонанс в сечении реакции
e+ + e- адроны
при энергии E ~ 3.1 ГэВ.
Группа
Б. Рихтера
измеряла энергетический спектр e+e- пар, образующихся при
бомардировку бериллиевой мишени высокоэнергетичными протонами
p + Be
e+ + e−.
В инвариантном спектре масс e+e−
наблюдался узкий пик шириной 87 кэВ при энергии E ~ 3.1 ГэВ. То есть
время жизни J/ψ-мезона
почти в 1000 раз больше, чем у известных частиц такой массы. Причина - в состав
J/ψ
входит новый, не известный ранее с-кварк. Он несет новое квантовое число - с,
названное очарованием (charm). с-Кварк порождает семейство адронов, имеющих в
своем составе его или соответствующий антикварк .
Мезоны и барионы, в состав которых входит с или кварки называются
очарованными мезонами и барионами соответственно. J/ψ-мезон
имеет "скрытый" чарм - связанное состояние с. Массу валентного с-кварка
можно оценить как половину массы J/ψ, то есть ~1500 МэВ. В таблице
приведены характеристики некоторых из известных очарованных мезонов и барионов.
Частица
Кварковый состав
Масса, mc2
(МэВ)
Время жизни или ширина
распада
Спин-четность JP, изоспин I
JP(I)
Основные
моды распада
D±
c
, d
1869
1.1·10-12
с
0-(1/2)
K
+ другие частицы,
e+ другие частицы, +
другие частицы
D0,D0
c,
u
1865
4.2·10-13
с
0-(1/2)
c,
s
1969
4.7·10-13 с
0-(0)
K + другие частицы
с
3097
87 кэВ
1-(0)
адроны, e+e−,+−
udc
2285
2.0·10-13 с
1/2+(0)
(n или p) + другие частицы
uuc
2453
1/2+(1)
udc
2454
ddc
2452
Семейство частиц ,
и образует
изотопический триплет. Из таблицы видно, что суммарная масса D− и D+
мезонов больше массы J/ψ-мезона,
поэтому очарованные кварки с,образующие
J/ψ-мезон
могут только аннигилировать в процессе распада, что и объясняет относительно
большое время жизни J/ψ-мезона
(малую ширину распада Г = 87 кэВ).
Закон сохранения чарма
В сильных и электромагнитных взаимодействиях чарм сохраняется Δс = 0.
В слабых взаимодействиях чарм не изменяется или изменяется на единицу Δс = 0,
+1.
c-Кварк распадается в результате слабого взаимодействия, превращаясь
преимущественно в s-кварк, по схеме, показанной на рис.1. Образующийся W-бозон в
свою очередь распадается на пару фермионов. На рис.1-2 приведены кварковые схемы
некоторых мод распада очарованных частиц.
Рис.2. Кварковая схема одной из мод распада D+-мезона
Рис. 3. Кварковая схема одной из мод распада -бариона