الكواركونيوم

في فيزياء الجسيمات ، الكواركونيوم (من الكوارك و- ونيوم ، جمعها كواركونيا ) هو ميزون عديم النكهة ، يتكون من كوارك ثقيل ومضاد كوارك خاص به ، مما يجعله جسيمًا متعادلًا ومضادًا له في آن واحد . اسم "الكواركونيوم" مشابه لاسم البوزيترونيوم ، وهو حالة ارتباط الإلكترون ومضاد الإلكترون . تتميز هذه الجسيمات بقصر عمرها نتيجةً لفناء المادة والمادة المضادة .

تتميز الكواركات الخفيفة ( العلوية والسفلية والغريبة ) بكتلة أقل بكثير من الكواركات الأثقل، ولذا فإن الحالات الفيزيائية التي تُرى فعليًا في التجارب ( ^{ميزونات} η و η ′ و π⁰ ) هي مزيج كمومي من حالات الكواركات الخفيفة. ويؤدي التباين الكبير في الكتلة بين كواركات السحر والقاع والكواركات الأخف إلى حالات محددة بدقة من حيث زوج كوارك-مضاد كوارك من نكهة معينة.

تُعدّ الكواركونيا، وهي حالة ارتباط لأزواج شارمونيوم ( c c ) وبوتومونيوم ( bb )، أدوات بالغة الأهمية لدراسة بلازما الكوارك-غلوون غير المحصورة المتكونة في تصادمات الأيونات الثقيلة فائقة النسبية . ^{[ 1 ]} تُقدّم عائلتا ψ و ϒ دليلاً مباشراً على بنية الكوارك في الهادرونات ، وتدعمان نموذج الكوارك-غلوون للديناميكا اللونية الكمومية الاضطرابية (QCO)، وتساعدان في تحديد مُعامل مقياس الديناميكا اللونية الكمومية (QCD).${\displaystyle \Lambda }$تعتمد درجة حرارة تفكك حالات الكواركونيوم على طاقة ربطها، حيث توجد حالات ذات ارتباط قوي مثل J/ ψ و${\displaystyle \Upsilon (1S)}$تنصهر عند درجات حرارة أعلى مقارنة بالحالات ذات الارتباط الضعيف مثل${\displaystyle \psi (2S)}$،${\displaystyle \chi _{c}}$لعائلة الشارمونيوم، و${\displaystyle \Upsilon (2S)}$،${\displaystyle \Upsilon (3S)}$بالنسبة لـ bottomonia. تُمكّن عملية التفكك المتسلسل هذه من استخدام احتمالات تفكك الكواركونيوم لتقدير درجة حرارة الوسط، بافتراض أن تفكك الكواركونيوم هو الآلية الأساسية المعنية. ^{[ 2 ]}

بسبب كتلتها العالية، تتحلل الكواركات العلوية عبر التفاعل الكهروضعيف قبل أن تتشكل حالة مقيدة. مع ذلك، قرب عتبة إنتاج الأزواج، تظهر حالة شبه مقيدة، مما يؤدي إلى تعزيز يشبه ذروة الرنين. تُفسَّر هذه الحالة شبه المقيدة أحيانًا على أنها توبونيوم . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

شارمونيوم

في الجدول التالي، يمكن تسمية الجسيم نفسه باستخدام الترميز الطيفي أو كتلته. في بعض الحالات، تُستخدم سلاسل الإثارة: ψ′ هي الإثارة الأولى لـ ψ (والتي تُسمى، لأسباب تاريخية، جسيم J/ ψ )؛ ψ″ هي الإثارة الثانية، وهكذا. أي أن الأسماء في الخلية نفسها مترادفة.

تم التنبؤ ببعض الحالات، لكن لم يتم تحديدها بعد؛ بينما لم يتم تأكيد حالات أخرى. وقد تم قياس الأعداد الكمومية لجسيم X(3872) في عام 2013 بواسطة تجربة LHCb في مركز CERN. ^{[ 5 ]} وقد ألقى هذا القياس بعض الضوء على هويته، مستبعدًا الخيار الثالث من بين الخيارات الثلاثة المتوقعة، وهي:

• حالة هجينة من شارمونيوم
• أ د ^٠D ^{∗ 0}جزيء
• مرشح للولاية 1 ¹ D ₂

في عام 2005، أعلنت تجربة BaBar عن اكتشاف حالة جديدة: Y(4260) . ^{[ 6 ] [ 7 ]} وقد أكدت تجربتا CLEO و Belle هذه الملاحظات لاحقًا. في البداية، اعتُقد أن Y(4260) حالة شارمونيوم، لكن الأدلة تشير إلى تفسيرات أكثر غرابة، مثل "جزيء" D، أو بنية رباعية الكواركات، أو ميزون هجين .

رمز المصطلح n 2 S +1 L J	آي جي ( جي بي سي )	جسيم	الكتلة [ MeV/ c 2 ] [ 8 ]
1 1 S 0	0 + (0 − + )	η c (1 S )	2983.4 ± 0.5​​
1 3 S 1	0 − (1 − − )	J/ ψ (1 S )	3096.900 ± 0.006​​
1 1 P 1	0 − (1 + − )	h c (1 P )	3525.38 ± 0.11​​
1 3 P 0	0 + (0 ++ )	χ c0 (1 P )	3414.75 ± 0.31​​
1 3 P 1	0 + (1 ++ )	χ c1 (1 P )	3510.66 ± 0.07​​
1 3 P 2	0 + (2 ++ )	χ c2 (1 P )	3556.20 ± 0.09​​
2 1 S 0	0 + (0 − + )	η c (2 S ), أو η ′ج	3639.2 ± 1.2​​
2 3 S 1	0 − (1 − − )	ψ(2S) أو ψ(3686)	3686.097 ± 0.025​​
1 1 D 2	0 + (2 − + )	η c2 (1 D )
1 3 D 1	0 − (1 − − )	ψ(3770)	3773.13 ± 0.35​​
1 3 D 2	0 − (2 − − )	ψ 2 (1 D )
1 3 D 3	0 − (3 − − )	ψ 3 (1 D ) [‡]
2 1 P 1	0 − (1 + − )	h c (2 P ) [‡]
2 3 P 0	0 + (0 ++ )	χ c0 (2 P ) [‡]
2 3 P 1	0 + (1 ++ )	χ c1 (2 P ) [‡]
2 3 P 2	0 + (2 ++ )	χ c2 (2 P ) [‡]
؟ ؟ ؟ ؟	0 + (1 ++ ) [ * ]	X(3872)	3871.69 ± 0.17​​
؟ ؟ ؟ ؟	?? (1 − − ) [ †]	Y(4260)	4263 +8 −9

ملحوظات:

[ _* ] يحتاج إلى تأكيد.

[†] التفسير على أنه حالة شارمونيوم 1 ^{− −} غير مفضل.

[‡] متوقع، ولكن لم يتم تحديده بعد.

بوتومونيوم

في الجدول التالي، يمكن تسمية الجسيم نفسه باستخدام الترميز الطيفي أو بكتلته. بعض الحالات متوقعة، ولكن لم يتم تحديدها؛ والبعض الآخر غير مؤكد.

رمز المصطلح n 2 S +1 L J	آي جي ( جي بي سي )	جسيم	الكتلة [ MeV/ c 2 ] [ 9 ]
1 1 S 0	0 + (0 − + )	ηب (1S)	9390.9 ± 2.8​​
1 3 S 1	0 − (1 − − )	ϒ (1S)	9460.30 ± 0.26​​
1 1 P 1	0 − (1 + − )	حب (1P)	9899.3 ± 0.8​​
1 3 P 0	0 + (0 ++ )	χb0 (1P)	9859.44 ± 0.52​​
1 3 P 1	0 + (1 ++ )	χب1 (1P)	9892.76 ± 0.40​​
1 3 P 2	0 + (2 ++ )	χب2 (1P)	9912.21 ± 0.40​​
2 1 S 0	0 + (0 − + )	ηب (2S)
2 3 S 1	0 − (1 − − )	ϒ (2S)	10023.26 ± 0.31​​
1 1 D 2	0 + (2 − + )	η b2 (1D)
1 3 D 1	0 − (1 − − )	ϒ (1D)
1 3 D 2	0 − (2 − − )	ϒ 2 (1D)	10 161 .1 ± 1.7
1 3 D 3	0 − (3 − − )	ϒ 3 (1D)
2 1 P 1	0 − (1 + − )	حب (2P)	10259.8 ± 1.2​​
2 3 P 0	0 + (0 ++ )	χb0 (2P)	10232.5 ± 0.6​​
2 3 P 1	0 + (1 ++ )	χب1 (2P)	10 255 .46 ± 0.55
2 3 P 2	0 + (2 ++ )	χب2 (2P)	10268.65 ± 0.55​​
3 3 S 1	0 − (1 − − )	ϒ (3S)	10355.2 ± 0.5​​
3 3 P 1	0 + (1 ++ )	χب1 (3P)	10 513 .42 ± 0.41 (إحصائي) ± 0.53 (نظامي) [ 10 ]
3 3 P 2	0 + (2 ++ )	χب2 (3P)	10 524 .02 ± 0.57 (إحصائي) ± 0.53 (نظامي) [ 10 ]
4 3 S 1	0 − (1 − − )	ϒ (4 S ) أو ϒ (10580)	10579.4 ± 1.2​​
5 3 S 1	0 − (1 − − )	ϒ (5S) أو ϒ (10860)	10865 ± 8​
6 3 S 1	0 − (1 − − )	ϒ (11020)	11019 ± 8​

ملحوظات :

[ _* ] نتائج أولية. يلزم التأكيد.

تم اكتشاف حالة ϒ (1S) بواسطة فريق تجربة E288 ، بقيادة ليون ليدرمان ، في مختبر فيرميلاب عام 1977، وكانت أول جسيم يحتوي على كوارك سفلي يتم اكتشافه. في 21  ديسمبر 2011، χ_{كانت حالة b2} (3P) أول جسيم يُكتشف فيمصادم الهادرونات الكبير؛ ونُشرت مقالة الاكتشاف لأول مرة علىموقع arXiv.^[11][12]في أبريل 2012،تجربة DØ في مصادم تيفاترونالنتيجة في ورقة بحثية نُشرت في مجلةPhysical Review D.[^13][14]تمرصد حالتي J = 1 و J = 2 لأول مرة بواسطةتجربةCMSفيعام2018.^[10]

نباتات التوبونيوم

توبونيوم هو حالة مقيدة للكوارك العلوي (${\displaystyle t}$) وجسيمه المضاد، الكوارك العلوي المضاد (${\displaystyle {\bar {t}}}$[ ^{15 ] بينما تتنبأ نظرية} القياس القياسية بوجود${\displaystyle t}$يحاول الكوارك-β، لإكمال عائلة الكوارك-ليبتون الثالثة، رصد التوبونيوم${\displaystyle (t{\bar {t}})}$لم تُكلل هذه المحاولات بالنجاح. يُمثل الاضمحلال السريع للكوارك العلوي والتفاوت الكبير في طاقة الحزمة تحديات تجريبية كبيرة. ^{[ 16 ] [ 17 ]} مع ذلك، تستمر عمليات البحث عبر طرق غير مباشرة، مثل الكشف عن نواتج اضمحلال محددة أو شذوذات تُشير إلى أزواج الكواركات العلوية. تُقدم دراسة اضمحلالات التوبونيوم نهجًا واعدًا للبحث عن جسيمات هيغز بكتل تصل إلى حوالي 70 جيجا إلكترون فولت، بينما يُمكن لعمليات بحث مماثلة في اضمحلالات البوتومونيوم أن تُوسع هذا النطاق إلى 160 جيجا إلكترون فولت. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن أن تُساعد دراسة عرض اضمحلال الغلوون في الكواركونيا الخفيفة في تحديد مُعامل مقياس الديناميكا اللونية الكمومية (QCD). ^{[ 18 ]}

في أبريل 2025، وبعد تحليل عينة من 138  fb ⁻¹ من التصادمات من عام 2016 إلى عام 2018، أبلغت تجربة CMS في مصادم الهادرونات الكبير عن وجود فائض من أزواج توب-أنتي توب عند عتبة إنتاج توب-أنتي توب بدلالة إحصائية أكبر من 5 σ. ^{[ 19 ] [ 20 ]} يتوافق هذا الفائض مع ميزون شبه قياسي شبه مقيد توب-أنتي توب يُعرف باسم توبونيوم.

يُعدّ حساب خصائص الميزونات في الديناميكا اللونية الكمومية (QCD) عمليةً غير اضطرابية تمامًا . ونتيجةً لذلك، فإنّ الطريقة العامة الوحيدة المتاحة هي الحساب المباشر باستخدام تقنيات الديناميكا اللونية الكمومية الشبكية (LQCD). مع ذلك، بالنسبة للكواركونيوم الثقيل، توجد تقنيات أخرى فعّالة أيضًا.

تتحرك الكواركات الخفيفة في الميزون بسرعات نسبية ، لأن كتلة الحالة المرتبطة أكبر بكثير من كتلة الكوارك. ومع ذلك، فإن سرعة كواركات السحر والقاع في الكواركونيا الخاصة بها صغيرة بما يكفي لتقليل التأثيرات النسبية في هذه الحالات بشكل كبير. ويُقدَّر أن السرعة،${\displaystyle \mathbf {v} }$تبلغ سرعة الضوء  تقريبًا 0.3 ضعف سرعة الضوء بالنسبة لـ charmonia، و0.1 ضعف سرعة الضوء تقريبًا بالنسبة لـ bottomonia. ويمكن تقريب الحساب بتوسيع قوى . ${\displaystyle \mathbf {v} /c}$و${\displaystyle v^{2}/c^{2}}$تُسمى هذه التقنية QCD غير النسبية (NRQCD).

تم أيضًا تكميم نظرية NRQCD كنظرية قياس شبكية ، مما يوفر تقنية أخرى لحسابات LQCD. وقد لوحظ توافق جيد مع كتل بوتومونيوم، مما يُعدّ أحد أفضل الاختبارات غير الاضطرابية لـ LQCD. أما بالنسبة لكتل ​​شارمونيوم، فالتوافق ليس بنفس الجودة، لكن مجتمع LQCD يعمل بنشاط على تحسين تقنياته. كما يجري العمل على حسابات خصائص مثل عرض حالات الكواركونيا ومعدلات الانتقال بين هذه الحالات.

تستخدم إحدى التقنيات المبكرة، ولكنها لا تزال فعّالة، نماذج الجهد الفعال لحساب كتل حالات الكواركونيوم. في هذه التقنية، يُستغلّ كون حركة الكواركات المكونة لحالة الكواركونيوم غير نسبية لافتراض أنها تتحرك في جهد ثابت، تمامًا مثل النماذج غير النسبية لذرة الهيدروجين. يُعدّ جهد كورنيل (أو جهد القمع ) أحد أكثر نماذج الجهد شيوعًا : ^{[ 21 ]}

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

أين${\displaystyle r}$يمثل نصف القطر الفعال لحالة الكواركونيوم،${\displaystyle a}$و${\displaystyle b}$هي معلمات.

لهذا الاحتمال جزآن. الجزء الأول،${\displaystyle a/r}$، وهو ما يتوافق مع الجهد الناتج عن تبادل غلوون واحد بين الكوارك ومضاد الكوارك الخاص به، ويُعرف باسم الجزء الكولومبي من الجهد، نظرًا لـ${\displaystyle 1/r}$الشكل مطابق للجهد الكولومبي المعروف الناتج عن القوة الكهرومغناطيسية.

الجزء الثاني،${\displaystyle b\,r}$يُعرف هذا الجزء باسم جزء الحصر من الجهد، وهو يُحدد معلمات التأثيرات غير الاضطرابية غير المفهومة جيدًا لنظرية الكروموديناميكا الكمية. بشكل عام، عند استخدام هذا النهج، يتم اختيار شكل مناسب للدالة الموجية للكواركات، ثم${\displaystyle a}$و${\displaystyle b}$يتم تحديدها من خلال مطابقة نتائج الحسابات مع كتل حالات الكواركونيوم المقاسة بدقة. ويمكن دمج التأثيرات النسبية وغيرها في هذا النهج بإضافة حدود إضافية إلى الجهد، كما هو الحال بالنسبة لذرة الهيدروجين النموذجية في ميكانيكا الكم غير النسبية.

تم اشتقاق هذا الشكل من نظرية الكروموديناميكا الكمية حتى${\displaystyle {\mathcal {O}}(\Lambda _{\text{QCD}}^{3}\,r^{2})}$بواسطة سومينو (2003). ^{[ 22 ]} وهو شائع لأنه يسمح بتوقعات دقيقة لمعاملات الكواركونيوم دون حساب شبكي مطول، ويوفر فصلاً بين تأثيرات كولوم قصيرة المدى وتأثيرات الحصر طويلة المدى التي يمكن أن تكون مفيدة في فهم قوة الكوارك / الكوارك المضاد المتولدة بواسطة QCD.

تم اقتراح الكواركونيا كأداة تشخيصية لتكوين بلازما الكوارك-غلوون : يمكن أن يحدث كل من اختفاء وتكوينها اعتمادًا على إنتاج الكواركات الثقيلة في البلازما.

• قاعدة أوزي