B-кварк

b-кварк (від англ. bottom — дно, або beauty — краса) — одна з фундаментальних частинок у рамках теорії кварків та Стандартної моделі. Для b-кварка характерне особливе квантове число (аромат) — краса. Подібно до інших кварків b-кварк — ферміон зі спіном 1/2. Він бере участь у всіх типах фундаментальних взаємодій, має електричний заряд -1/3. Разом із t-кварком b-кварк входить до третього покоління фундаментальних частинок. Античастинка b-кварка називається b-антикварком.

Існування b-кварка теоретично передбачили Кобаясі Макото та Масукава Тосіхіде у 1973, намагаючись пояснити порушення CP-інваріантності. Назву bottom запропонував у 1974 Хаїм Харарі. Експериментально b-кварк відкрила група під керівництвом Леона Макса Ледермана 1977 року в Фермілабі в ході експеримента E288. Кобаясі та Масукава отримали Нобелівську премію за 2008.^[1]

Історія відкриття

Існування третього покоління кварків, яке включало b- і t-кварки, було передбачено у 1973 році Макото Кобаясі і Тосіхіде Масукава для пояснення явища порушення CP-інваріантності^[2].

Експериментальне підтвердження це явище отримало в 1977 році у лабораторії Фермілаб співтовариством Колумбія—Фермілаб—університет в Стоуні Брук (експеримент E288 по вивченню протонних зіткнень, керівник проекту — Леон Ледерман та ін.): в цьому експерименті була відкрита Іпсилон-частинка — векторний -ϒмезон, який утворений b-кварком та b-антикварком. Майже відразу сталося відкриття збуджених станів системи ${\displaystyle b{\overline {b}}}$: мезонних резонансів ϒ${\displaystyle '}$, ϒ${\displaystyle ''}$ і ϒ${\displaystyle '''}$^[3][4].

Процеси, які відбуваються з участю b-кварка, носять жаргонну назву «B-фізика». Оскільки розпади b-кварка у кварки більш легкого аромату сильно пригніченні і відбуваються в основному через слабку взаємодію, то в системах, які містять цю частинку, спостерігається багато цікавих процесів — зокрема, порушення CP-інваріантності, осциляції нейтральних B-мезонів, процеси із внеском петльових «пінгвінних» і «ящикових»^[en] діаграм. Багато дослідів в області B-фізики в 2000-і роки виконані в експериментах BaBar (Стандфордський центр лінійного прискорювача, США) і Belle (KEK, Японія). Зараз головним експериментом, що досліджує адрони, що містять b-кварк є LHCb.

Адрони, які містять b-кварк

• Іпсилон-мезон (ϒ-мезон, боттомоній) містить b-кварк і b-антикварк.
• B^±-, B⁰-мезони містять b-кварк і кварк (або антикварк) першого покоління (u- або d-кварк).
• ${\displaystyle B_{s}^{0}}$-мезони містять b-кварк і s-кварк.
• ${\displaystyle B_{c}^{\pm }}$-мезони містять b-кварк і c-кварк.
• Баріони, які містять b-кварк і два більш легких кварка (${\displaystyle \Lambda _{b}^{0}}$ і т. д.).

Частинка	Кварковий склад	Маса, Mc2 (МеВ)	Час життя або ширина	Спін-парність, ізоспін JP(I)	Основні моди розпаду
B±, ${\displaystyle B^{0}}$, ${\displaystyle {\overline {B}}^{0}}$	${\displaystyle u{\overline {b}}}$, ${\displaystyle b{\overline {u}}}$, ${\displaystyle d{\overline {b}}}$, ${\displaystyle b{\overline {d}}}$	5279	1.6·10−12 c	0-(1/2)	D0+ін, D*+ін
				0-(1/2)	ν+ін, D++ін, D*+ін
ϒ	${\displaystyle b{\overline {b}}}$	9460	53 кеВ	1-(0)	τ+τ−, e+e−, μ+μ−

В таблиці приведені маси, квантові числа, ширини деяких частинок, які мають в своєму складі ${\displaystyle b}$ або ${\displaystyle {\overline {b}}}$ кварки.

B-кварки і Нова фізика

Одна з цілей експериментів на Великому адронному колайдері — пошук відхилень від Стандартної моделі. Деякі з таких відхилень пов'язані з процесами народження і розпаду b-кварків, а саме:

• Надрідкісний розпад B-мезона і B_s-мезона на мюон-антимюонну пару відбувається в 3,7 разів частіше, ніж передбачає модель. Наразі, статистична значущість цього відхилення складає 2,2σ^[5]
• Значні відхилення від Стандартної моделі у розпаді b-кварка на s-кварк і мюон-антимюонну пару. Для цього каналу їх значущість досягає 3,6σ.^[6]
• Порушення лептонної універсальності — відношення ймовірностей розпаду з утворенням мюон-антимюонної пари і електрон-позитронної пари має бути близьким до одиниці, тоді як експерименти показують, що воно є суттєво нижчим.^[7]

Примітки

Посилання

• Зведена таблиця характеристик кварків на сайті Particle Data Group. [Архівовано 19 березня 2012 у WebCite](англ.)
• http://pdg.lbl.gov/2011/listings/rpp2011-list-b-quark.pdf [Архівовано 1 лютого 2017 у Wayback Machine.](англ.)
• Стаття про історію відкриття B-кварка на сайті Фермілаб [Архівовано 24 серпня 2017 у Wayback Machine.](англ.)
• Классификация адронов [Архівовано 3 березня 2014 у Wayback Machine.] на сайті Элементы.ру^[ru](рос.)
• Красивые частицы, b-кварк [Архівовано 3 березня 2014 у Wayback Machine.] на сайті «nuclphys.sinp.msu.ru»(рос.)
• L. Lederman (1978). The Upsilon Particle. Scientific American. 239 (4): 72. doi:10.1038/scientificamerican1078-72.
• R. Nave. Quarks. HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. Архів оригіналу за 27 квітня 2020. Процитовано 29 червня 2008.
• A. Pickering (1984). Constructing Quarks. University of Chicago Press. с. 114—125. ISBN 0-226-66799-5.
• J. Yoh (1997). The Discovery of the b Quark at Fermilab in 1977: The Experiment Coordinator's Story (PDF). Proceedings of Twenty Beautiful Years of Bottom Physics. Фермілаб. Архів оригіналу (PDF) за 8 серпня 2018. Процитовано 24 липня 2009.