Viehätyskvarkki (c‑kvarkki) – ominaisuudet ja havaitseminen
Viehätyskvarkki (c‑kvarkki): läpileikkaus sen ominaisuuksista, havaitsemistavoista J/ψ- ja D-mesoneissa sekä merkitys hiukkasfysiikan läpimurroissa.
Charmikvarkit eli c‑kvarkit ovat kuudesta kvarkista kolmanneksi massiivisimmat. Ne luokitellaan alkeishiukkasiksi, eli perushiukkasiksi, joita ei tiedetä olevan jaettavissa pienempiin osiin. Viehätyskvarkkien sähkövaraus on sama kuin up‑kvarkkien eli +2/3 yksikköä. Kvarkit kantavat myös väri‑varauksen, joten ne osallistuvat värivoimaan (eli vahvaan vuorovaikutukseen), sekä sähkömagneettiseen ja heikkoon vuorovaikutukseen. Viehätyskvarkit ovat fermioneja — hiukkasia, joiden tilastollinen käyttäytyminen estää useamman identtisen fermionin olemasta täsmälleen samassa kvanttitilassa — ja niiden spin on 1/2.
Charmikvarkin massa ei ole täysin yksiselitteinen, koska kvarkin massa riippuu määrittelytavasta (esimerkiksi pole‑mass tai MS‑bar‑massa). Suuntaa antavasti c‑kvarkin massa on noin 1,2–1,6 GeV/c2 riippuen mittaustavasta ja renormalisointisääntöjen valinnasta. Vakiintuneita hadroneja, jotka sisältävät viehätyskvarkin, ovat esimerkiksi D‑mesonit (D0, D±, Ds±), charmonium‑tilat (cc̄, kuten J/ψ, ψ′, ηc ja χc) sekä charm‑baryonit (esim. Λc+, Ξc, Ωc). Monet näistä hiukkasista havaitaan laboratorioissa ja hiukkaskiihdyttimissä, kun atomeja ja muita hiukkasia törmäytetään suurilla energioilla.
Viehätyskvarkkeja syntyy harvoin luonnossa, mutta niitä tuotetaan runsaasti korkeaenergisissä törmäyksissä, kuten hiukkaskiihdyttimissä, joissa esimerkiksi atomeja tai alkeishiukkasia lyödään yhteen erittäin suurilla nopeuksilla. Tällaisissa törmäyksissä syntyy väliaikaisia, raskaita hadroneja — esimerkiksi J/ψ‑ ja D‑mesoneita — joista viehätyskvarkkeja voi löytyä. Nämä havaitut hiukkaset mainitaan usein yleisnimityksellä viehättyneinä hiukkasina (hiukkasista).
Viehätyskvarkkien havaitseminen perustuu usein niiden hajoamistuotteiden rekonstruktioon ja epäyhtenäisyyspikien etsimiseen (invarianttimassan piikit) detektori‑aineistosta. Monet charm‑hadronit elävät olosuhteisiin nähden melko kauan (esimerkiksi D‑mesonien elinaika on tyypillisesti ~10−13–10−12 s), jolloin niiden hajoaminen tapahtuu pienellä, mutta mitattavalla etäisyydellä törmäyspisteestä. Tämän vuoksi modernit ilmaisimet, erityisesti piipohjaiset vertex‑detektorit ja tarkat seurantalaitteet, ovat tärkeitä viehätyskvarkkien tutkimuksessa: ne mahdollistavat siirtymän (displaced vertex) havaitsemisen ja siten charm‑hadroneiden erottelun taustasta. Charm‑kvarkit hajoavat pääasiassa heikon vuorovaikutuksen välityksellä (esim. c → s tai c → d), ja niiden hajoamisprosesseja käytetään myös heikkojen vuorovaikutusten ja CKM‑matriisin ominaisuuksien tutkimiseen.
Charmikvarkin ja erityisesti J/ψ‑mesonin löytyminen vuonna 1974 johti nopeaan sarjaan läpimurtoja hiukkasfysiikassa; tämä tapahtumaketju tunnetaan nimellä marraskuun vallankumous. Kaksi riippumatonta tutkimusryhmää (Sam Tingin ja Burton Richterin johtamat ryhmät) havaitsivat samanlaisia kapeita resonansseja noin 3,1 GeV/c2 kohdalla (J/ψ ja sitä vastaava ψ‑piki), mikä tarjosi suoraa todistusaineistoa charm‑kvarkin olemassaolosta. Löydöt muuttivat käsitykset alkeishiukkasista ja vahvistivat kvarkkimallin asemaa; Ting ja Richter saivat Nobel‑palkinnon fysiikassa vuonna 1976.
Nykyään viehätyskvarkkien tutkimus on keskeinen osa hiukkasfysiikkaa: charm‑tuotantoa käytetään QCD:n (kvanttiväridynamiikka) testeissä, gluonien jakauman ja hadronisaatiomekanismien tutkimuksessa sekä raskaiden ionien törmäyksissä kvarkki‑gluoniplasman ominaisuuksien selvittämisessä. Lisäksi charm‑sektorissa etsitään CP‑rikkomista ja harvinaisia hajoamiskaistoja, jotka voisivat viitata uuteen fysiikkaan standardimallin ulkopuolella.
Kysymyksiä ja vastauksia
Q: Mitä ovat charmikvarkit?
V: Viehätyskvarkit ovat yksi kuudesta kvarkkityypistä, joiden ajatellaan olevan alkeishiukkasia ja joita ei voi jakaa. Niiden varaus on +2/3 ja spin 1/2.
K: Mikä on charmikvarkkien massa?
V: Charmikvarkit ovat kuudesta kvarkista kolmanneksi massiivisimpia.
K: Mistä viehätyskvarkkeja löytyy?
V: Viehätyskvarkkeja voi löytyä hiukkaskiihdyttimissä syntyvistä hiukkasista, kuten J/ψ-mesoneista, D-mesoneista ja muista viehättyneistä hiukkasista.
K: Ovatko viehätyskvarkit yleisiä luonnossa?
V: Viehätyskvarkit eivät ole erittäin yleisiä.
K: Mikä merkitys on charmikvarkkien ja J/ψ-mesonien löytämisellä?
V: Viehätysvoimakvarkkien ja J/ψ-mesonien löytäminen johti nopeaan tieteellisten läpimurtojen sarjaan, joka tunnetaan marraskuun vallankumouksena.
K: Mikä on charmikvarkkien varaus?
V: Viehätyskvarkkien varaus on +2/3, mikä on samanlainen kuin up-kvarkkien.
K: Millaisia hiukkasia viehätyskvarkit ovat?
V: Viehätyskvarkit ovat fermioneja, eli hiukkasia, joita ei voi olla yhtä aikaa samassa paikassa kuin yksi.
Etsiä