Mesone J/Psi
Mesone J/Psi | |
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Classificazione | Bosone |
Composizione | cc |
Famiglia | Adroni |
Gruppo | Mesoni |
Interazioni | Forte, debole, elettromagnetica, gravità |
Simbolo | J/ |
Antiparticella | Se stesso |
Scoperta | SLAC: Burton Richter et al. (1974) BNL: Samuel Ting et al. (1974) |
Proprietà fisiche | |
Massa | 3,0969 GeV/c2 |
Vita media | 7,2×10−21 s |
Carica elettrica | 0 e |
Spin | 1 |
Il mesone J/
La sua scoperta venne fatta indipendentemente da due gruppi di ricerca, uno allo Stanford Linear Accelerator Center, capeggiato da Burton Richter, e uno al Brookhaven National Laboratory, condotto da Samuel Ting al MIT. Effettivamente notarono di aver scoperto la stessa particella e entrambi i gruppi annunciarono le loro scoperte l'11 novembre 1974. L'importanza di questa scoperta è evidenziata dal fatto che la successiva serie di rapidi cambiamenti nella fisica delle particelle del tempo divenne nota come la "rivoluzione di novembre". Richter e Ting vennero premiati per la loro scoperta condivisa con il Premio Nobel per la fisica nel 1976.[1]
Contesto
[modifica | modifica wikitesto]Negli anni '60 vennero proposti i primi modelli di quark della fisica delle particelle, i quali proponevano che i protoni, neutroni e tutti i barioni e mesoni, fossero costituiti da tre tipi di particelle elementari caratterizzate da carica elettrica frazionaria: i "quark", esistenti in tre diversi "sapori" denominati up, down e strange. Nonostante le notevoli capacità dei modelli a quark di portare ordine nello "zoo delle particelle elementari", erano considerato ancora qualcosa di simile a una finzione matematica, un artefatto di ragioni fisiche più profonde.
A partire dal 1969, gli esperimenti di scattering anelastico profondo allo SLAC rivelarono prove sperimentali sorprendenti riguardanti le particelle presenti all'interno dei protoni. Inizialmente non si sapeva se fossero quark o altro. Sono stati necessari molti esperimenti per identificare in modo chiaro le proprietà dei componenti del protone. In prima approssimazione corrispondevano ai quark già descritti nei modelli teorici.
Sul fronte teorico, le teorie di gauge con simmetria rotta divennero le prime teorie a contendersi la completa spiegazione dell'interazione debole, dopo che Gerardus 't Hooft scoprì nel 1971 come rinormalizzare le teorie di gauge non abeliane così da poter utilizzare i diagrammi di Feynman per descrivere i processi in cui intervengono le interazioni forti. La prima prova sperimentale della teoria di unificazione elettrodebole fu la scoperta nel 1973 dei bosoni W e Z e quindi della corrente debole neutra. Le teorie di gauge insieme ai quark divennero nel 1973 dei validi contendenti per spiegare l'interazione forte dopo che venne proposto il concetto di libertà asintotica.
Tuttavia, una semplice combinazione della teoria elettrodebole e del modello a quark portò a calcoli sulle modalità di decadimento conosciute che contraddicevano l'osservazione: in particolare, si prevedeva il decadimento di un quark strange in un quark down, mediante un bosone Z come mediatore del cambiamento di sapore, ma questo non veniva osservato. Un'idea del 1970 di Sheldon Glashow, John Iliopoulos e Luciano Maiani, nota come meccanismo GIM,[2] mostrava che i decadimenti con cambiamento di sapore sarebbero stati vietati se fosse esistito un quarto quark, denominato charm, che si accoppiasse con il quark strange. Questo lavoro portò, entro l'estate del 1974, a previsioni teoriche di come avrebbe dovuto essere un mesone charm/anti-charm. Tali previsioni furono ignorate. Il lavoro di Richter e Ting fu svolto per altri motivi, in gran parte per esplorare nuovi livelli di energia.
La Scoperta
[modifica | modifica wikitesto]I due gruppi sperimentali che scoprirono il mesone J/
Il gruppo guidato da S. Ting, composto quasi esclusivamente da fisici del Massachusetts Institute of Technology (MIT), operava all'acceleratore di protoni AGS del Brookhaven National Laboratory (BNL) a Upton (New York), Long Island, Stati Uniti. Il rivelatore era ottimizzato per la ricerca di risonanze con numeri quantici uguali a quelli del fotone (JCP=1--) attraverso i loro decadimenti in coppie di elettroni e positroni. L'acceleratore AGS operava ad energie dei protoni fra i 28 e i 30 GeV, che incidevano su un bersaglio di Berillio. Il rivelatore era uno spettrometro (per la misura del momento delle particelle) a due bracci, disposti per rivelare elettroni emessi a 90 gradi nel sistema del centro di massa (14,6 gradi in laboratorio), con rivelatori di luce Cherenkov, calorimetri al vetro al piombo per identificare gli elettroni e camere a fili per la ricostruzione delle tracce. La massa della particella prodotta nelle interazioni dei protoni veniva ricostruita dalla massa invariante della coppia elettrone-positrone generata dal suo decadimento. Questo esperimento era in grado i rivelare particelle con massa fra i 2 e i 5 GeV, la difficoltà sperimentale era dovuta alla grande risoluzione richiesta all'apparato per poter identificare risonanze molto strette e al necessario grado di separazione elettroni-adroni (nelle interazioni protone-Berillio sono molti di più gli adroni prodotti che non gli elettroni). La J/
Il gruppo guidato da B. Richter era composto da fisici delle Università di Stanford e Berkeley. L'esperimento prendeva dati al collider di elettroni-positroni SPEAR allo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) a Stanford, California. I collider elettroni-positroni sono un tipo di acceleratori sviluppato da Bruno Touschek ai Laboratori nazionali di Frascati dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Il rivelatore di Richter, Mark-I, era il progenitore di tutti i futuri esperimenti ai collider: a simmetria cilindrica, con rivelatori di tracce in campo magnetico, un sistema di tempo di volo, calorimetri elettromagnetici e camere per l'identificazione di muoni.
Questo apparato doveva sostanzialmente contare gli stati finali di coppie di adroni, o elettroni-positroni, o muoni-antimuoni, generati dalle collisioni elettrone-positrone. Da questo conteggio si può ricavare la sezione d'urto di produzione, dividendolo per la luminosità dell'acceleratore e l'efficienza del rivelatore. Quando l'energia dei fasci corrispondeva alla massa di una risonanza, la sezione d'urto aumentava di molto (fino ad un fattore quasi 1000 per la J/
Ting e Richter annunciarono la scoperta lo stesso giorno e pubblicarono i lavori sulla stessa rivista. Ci volle circa un anno di intensa attivitá teorica per identificare la J/
La misura ai Laboratori Nazionali di Frascati.
[modifica | modifica wikitesto]Ai Laboratori Nazionali di Frascati era in funzione il collisore Adone, successore di AdA, il primo collisore di elettroni e positroni mai costruito al mondo. Adone era entrato in funzione nel 1970, prima di SPEAR a Stanford, ma era in grado di accelerare elettroni fino a 3.0 GeV, e non aveva mai superato i 2.8 GeV per ragioni di prudenza. Non era quindi in grado di produrre la J/
Denominazione
[modifica | modifica wikitesto]A causa della scoperta quasi simultanea, il mesone J/
Dal momento che la comunità scientifica ha ritenuto ingiusto dare la priorità a uno dei due scopritori, le pubblicazioni successive hanno fatto riferimento alla particella come "J/
Il primo stato eccitato della J/
Il nome charmonio viene usato per J/
Fusione J/ψ
[modifica | modifica wikitesto]In un mezzo QCD caldo, quando la temperatura s'innalza ben oltre la , si prevede che J/
Infatti, invece della soppressione, è previsto un aumento della produzione di J/
Modi di decadimento
[modifica | modifica wikitesto]I modi di decadimento adronico dei mesoni J/
Bibliografia
[modifica | modifica wikitesto]- ^ a b The Nobel Prize in Physics 1976
- ^ S. L. Glashow, J. Iliopoulos e L. Maiani, Weak Interactions with Lepton-Hadron Symmetry, in Physical Review D, vol. 2, n. 7, 1º ottobre 1970, pp. 1285–1292, DOI:10.1103/PhysRevD.2.1285.
- ^ J. J. Aubert, et al., Experimental Observation of a Heavy Particle $J$, in Physical Review Letters, vol. 33, n. 23, 2 dicembre 1974, pp. 1404–1406, DOI:10.1103/PhysRevLett.33.1404.
- ^ J. -E. Augustin, et al., Discovery of a Narrow Resonance in e+e- Annihilation, in Physical Review Letters, vol. 33, n. 23, 2 dicembre 1974, pp. 1406–1408, DOI:10.1103/PhysRevLett.33.1406.
- ^ Roberto Mussa, Fascino svelato, su Asimmetrie, 2014.
- ^ C. Bacci, et al., Preliminary Result of Frascati (ADONE) on the Nature of a New 3.1-GeV Particle Produced in e+e- Annihilation, in Physical Review Letters, vol. 33, n. 23, 2 dicembre 1974, pp. 1408–1410, DOI:10.1103/PhysRevLett.33.1408.
- ^ (EN) L. Zielinski, Physics Folklore, su ed.fnal.gov, QuarkNet, 8 agosto 2006. URL consultato il 13 aprile 2009 (archiviato dall'url originale il 27 maggio 2010).
- ^ (EN) Roos, M., Wohl, C.G.; (Particle Data Group), Naming schemes for hadrons (PDF), su pdg.lbl.gov, 2004. URL consultato il 13 aprile 2009.
- ^
(EN) Matsui, T., Satz, H., J/
ψ suppression by quark-gluon plasma formation, in Physics Letters B, vol. 178, 1986, p. 416, DOI:10.1016/0370-2693(86)91404-8. URL consultato il 28 aprile 2010. - ^
(EN) Thews, R.L.;, Schroedter, M.; Rafelski, J., Enhanced J/
ψ production in deconfined quark matter, in Physical Review C, vol. 63, 2001, p. 054905, DOI:10.1103/PhysRevC.63.054905, arΧ iv:hep-ph/0007323. URL consultato il 28 aprile 2010. - ^
(EN) Schroedter, M.;, Thews, R.L.; Rafelski, J., Bc-meson production in ultrarelativistic nuclear collisions, in Physical Review C, vol. 62, 2000, p. 024905, DOI:10.1103/PhysRevC.62.024905, ar
Χ iv:hep-ph/0004041. URL consultato il 28 aprile 2010. - ^ (EN) Fulcher, L.P., Rafelski, J.; Thews, R.L., Bc mesons as a signal of deconfinement, su arxiv.org, 1999. URL consultato il 28 aprile 2010.
Voci correlate
[modifica | modifica wikitesto]- Regola di OZI
- Mesone
- Plasma di quark e gluoni
- Relativistic Heavy Ion Collider
- Super Proton Synchrotron
Altri progetti
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