Кварконий

Кварко́ний — вид мезона, состоящий из кварка и антикварка одного и того же аромата^[1]. Примерами таких частиц являются J/ψ-мезон (cc, состояние чармония см. ниже) и ϒ-мезон (bb, состояние боттомония см. ниже). Реальное связанное состояние t-кварка и антикварка — топоний, или тэта-мезон — не существует, поскольку t-кварк распадается путём слабого взаимодействия прежде, чем может сформировать связанное состояние (однако может существовать виртуальная пара tt). Обычно термин «кварконий» употребляется только применительно к тяжёлым ароматам, то есть мезонам, образованным тяжёлыми кварками (c, b, t). Это связано с тем, что физические состояния лёгких кварков (u, d и s), наблюдаемые в эксперименте, представляют собой квантово-механические суперпозиции всех ароматов. Большое различие в массах очарованного (с) и прелестного (b) кварков с лёгкими ароматами приводит к тому, что состояния первых хорошо описываются в терминах кварк-антикварковых пар одного аромата.

В представленной таблице одни и те же частицы могут быть названы с использованием спектроскопической нотации или путём указания их массы. В некоторых случаях используются серии возбуждений: Ψ′ — первое возбуждение Ψ (исторически это состояние называется J/ψ), Ψ″ — второе возбуждение и т. д.

Некоторые состояния предсказаны, но пока не обнаружены; другие не подтверждены. Квантовые числа частицы X(3872) неизвестны, по поводу её структуры идёт дискуссия. Это может быть:

• кандидат в состояние 1¹D₂;
• гибридное состояние чармония;
• молекула ${\displaystyle D^{0}{\bar {D}}^{*0}.}$

В 2005 году в эксперименте BaBar объявили об открытии нового состояния Y(4260)^[2][3]. Эксперименты CLEO и Belle также подтвердили его существование. Первоначально считалось, что это состояние чармония, однако имеются свидетельства более экзотической природы этой частицы, например молекула D-мезонов, система из 4 кварков или гибридный мезон.

Примечания:

^* Требует подтверждения.

^† Предсказан, но пока не обнаружен.

^† Интерпретируется как состояние чармония 1⁻⁻.

В представленной таблице одни и те же частицы могут быть названы с использованием спектроскопической нотации или путём указания их массы.

Некоторые состояния предсказаны, но пока не обнаружены; другие не подтверждены.

Примечания:

^* Предварительный результат, требуется подтверждение.

Расчёты свойств мезонов в квантовой хромодинамике (КХД) носят непертурбативный характер. Поэтому единственным доступным общим методом остаётся прямой расчёт с использованием КХД на решётке. Однако существуют и другие методы, также эффективные применительно к тяжёлому кварконию.

Лёгкие кварки в мезоне движутся с релятивистскими скоростями, поскольку масса их связанного состояния много больше масс самих составляющих кварков. Но скорость очарованного и прелестного кварков в соответствующих состояниях кваркония существенно меньше, и релятивистские эффекты затрагивают такие состояния в меньшей степени. Оценки этих скоростей v дают около 0,3 скорости света для чармония и 0,1 для боттомония. Таким образом расчёты таких состояний могут проводиться путём разложения по степеням малого параметра v/c. Этот метод получил название нерелятивистской КХД (non-relativistic QCD — NRQCD).

Нерелятивистская КХД также квантуется как калибровочная теория на решётке, что позволяет использовать ещё один подход в расчётах КХД на решётке. Таким образом было получено хорошее согласие с экспериментом в значении масс боттомония, и это является одним из лучших свидетельств состоятельности метода КХД на решётке. Для масс чармония согласие не такое хорошее, но учёные работают над улучшением данного метода. Также ведётся работа в направлении вычислений таких свойств, как ширины состояний кваркония и вероятности перехода между состояниями.

Ещё один исторически ранний, но до сих пор эффективный метод использует модель эффективного потенциала для расчёта масс состояний кваркония. Предполагается, что кварки, составляющие кварконий, движутся с нерелятивистскими скоростями в статическом потенциале, подобно тому, как это происходит с электроном в нерелятивистской модели атома водорода. Один из наиболее популярных модельных потенциалов носит название потенциала Корнелла:

${\displaystyle V(r)={\frac {a}{r}}+br,}$

где r — эффективный радиус связанного состояния, a и b — некие параметры. Такой потенциал состоит из двух частей. Первая, a/r, отвечает потенциалу, создаваемому одноглюонным обменом между кварком и антикварком, и называется кулоновской частью, поскольку повторяет вид кулоновского потенциала электромагнитного поля, также пропорционального 1/r. Вторая часть, br, отвечает эффекту конфайнмента кварков. Обычно при использовании данного подхода берётся удобная форма волновой функции кварков, а параметры a и b определяются путём подгонки к экспериментально измеренным значениям масс кваркониев. Релятивистские и прочие эффекты могут быть учтены путём добавления дополнительных членов к потенциалу, подобно тому, как это делается для атома водорода в нерелятивистской квантовой механике.

Последний метод не имеет качественного теоретического обоснования, однако весьма популярен, поскольку позволяет довольно точно предсказывать параметры кваркония, избегая длительных вычислений на решётке, а также разделяет влияние короткодействующего кулоновского потенциала и дальнодействующего эффекта конфайнмента. Это оказывается полезно для понимания характера сил между кварком и антикварком в КХД.

Изучение кваркония представляет интерес с точки зрения определения параметров кварк-глюонного взаимодействия. Мезоны проще для изучения, так как состоят только из двух кварков, а кварконий для этих целей подходит лучше всего из-за симметричности.

• J/ψ-мезон
• ϒ-мезон
• Квантовая хромодинамика
• Позитроний

• Блум Э. Д., Фелдман Г. Дж. Кварконий (рус.) // УФН. — 1983. — Т. 139, № 3. — С. 529—551. — doi:10.3367/UFNr.0139.198303f.0529.
• Пахлова Г. В., Пахлов П. Н., Эйдельман С. И.  Экзотический чармоний (рус.) // УФН. — 2010. — Т. 180, № 3. — С. 225—248. — doi:10.3367/UFNr.0180.201003a.0225.