J/ψ介子

J/ψ介子

組成	c c
系	玻色子
基本相互作用	強相互作用、弱相互作用、電磁力、引力
符號	J/psi
反粒子	其自身
發現	斯坦福國家加速器實驗室：伯頓·里克特等（1974年） 布克海文國家實驗室：丁肇中等（1974年）
質量	6973552080000000000♠5.5208×10−27 kg 7003309691600000000♠3096.916±0.011 MeV/c^2
衰變寬度	6986148842195642300♠92.9±28 keV
衰變粒子	3 g 或 γ +2 g 或 γ
電荷	0基本電荷
色荷	0
自旋	1
自旋態	3
簡明對稱性	$0^{-}(1^{--})$

J/ψ介子是一種次原子粒子，屬於介子，由一枚粲夸克和一枚反粲夸克組成。它是由粲夸克和反粲夸克組成的次原子粒子當中第一個激發態。它的質量為3096.9兆電子伏特/c2，平均壽命為7.2*10^-21秒。

兩個互相之間獨立的研究組分別首次發現了J/ψ介子。其中一個組是伯頓·里克特領導的史丹佛直線加速器中心，另一個組是麻省理工學院丁肇中領導的布魯克黑文國家實驗室。他們得知彼此發現了同一粒子，並同時於1974年11月11日發表了他們的發現。這個發現後粒子物理學發生了巨大的改變，這個改變有時也被稱為「十一月革命」。1976年，里克特和丁肇中因為這個發現獲得諾貝爾物理學獎。

發現背景

J/ψ介子的發現背景即有理論成分也有實驗成分。在1960年代裡第一代夸克理論發表。按照這個理論質子、中子、所有其它重子以及所有介子都是由三種被稱為夸克的粒子組成的。這三種夸克分別屬於三種不同的「味」，它們分別是上夸克、下夸克和奇異夸克。雖然這個理論能夠把當時存在的眾多粒子歸結為全部是由這三種夸克組成，當時的物理學家認為這個理論只是數學製造的幻影，它們只不過體現了更深的物理原理。

從1969年開始在斯坦福國家加速器實驗室進行的深度非彈性散射提供了質子是由更微小的粒子組成的實驗跡象。當時還不清楚這些粒子是不是夸克還是其它什麼東西。此後的許多實驗逐漸地探測了次質子粒子的特徵，這些實驗顯示它們可能的確是已經理論預言的夸克。

在理論方面傑拉德·特·胡夫特1971年發現如何計算樹圖以外的帶有自發對稱性破缺的規範場論後這個理論能夠被用來徹底解釋弱相互作用。1973年發現的W及Z玻色子是弱電相互作用最早的實驗跡象。1973年漸近自由被確定後夸克規範場論成為強相互作用的理論基礎。

但是簡單地把電弱理論和夸克模型結合到一起導致理論預言與實驗相違的衰變模型，尤其是它預言了Z玻色子參與的奇異夸克變化為下夸克的衰變。這樣的衰變從來沒有被觀察到過。1970年謝爾登·格拉肖、約翰·艾利奧朴勒斯和魯茨阿諾·麥阿尼預言假如還有一種夸克魅夸克存在的話，奇異夸克和下夸克之間就不必互相轉變。1974年夏這篇論文導致了可能存在魅夸克和反魅夸克組成的介子的預言。但是這些預言沒有受到重視。里克特和丁肇中並沒有特意要證實這些理論，他們的實驗目的主要是探索新的能量領域。

名稱

由於J/ψ介子幾乎是同時被發現的，因此它是所有基本粒子中唯一由兩個字母作為名稱的粒子。里克特把它稱為SP，這個名稱是按照斯坦福國家加速器實驗室的加速器SPEAR命名的，但是他的同事們均不喜歡這個名字。因此他察看哪些希臘字母還沒有被用作粒子名稱。他推翻了Ι，因為這個字母代表「不重要」，最後他選擇了ψ。有意思的是火花室圖像里的J/ψ介子往往看上去像ψ。丁肇中則選擇了J。這個字母是K前一個字母，而K介子則是奇異夸克組成的相應介子，當時已經被發現。

由於科學社群覺得無論採用任一方命名的名稱，都對另一方發現者的命名權不公平，因此大多數此後的論文都把這個粒子並列稱之為J/ψ介子。

J/ψ介子的第一激發態被寫作ψ'，有時也被寫作ψ（2S）或者按照其兆電子伏特質量寫作ψ（3686）。其它激發態也適用ψ和量子態（假如已知的話）或者質量來表示。由於里克特的實驗組自己就發現了四個激發態，因此一般在描述激發態的時候單單寫成ψ而不並列J。

曾經流傳一種說法，因為他自己中文姓氏「丁」和英文字母「J」類似，所以命名為J粒子，其實這是一個美麗的誤會。真正的意思「J」在量子力學上代表電流、光，而J粒子和光、電有密切的關係，所以就命名為J粒子。

J/ψ熔化

在一個炙熱的量子色動力學物質中假如溫度非常高的話J/ψ介子和它的激發態可能會熔化。這是被預言的夸克-膠子等離子體形成的一個跡象。截至2011年，歐洲核子研究組織的超級質子同步加速器（SPS）、布克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機（RHIC）以及歐洲核子研究組織的大型強子對撞機（LHC）做的重離子實驗都觀察到了這樣的事實：重離子碰撞中產生的J/ψ比由核子對撞的簡單疊加所計算出的產額要小，這一現象的原因還在探討之中。其原因是要計算有多少J/ψ介子熔合了首先需要知道碰撞之初有多少J/ψ產生了，同時夸克膠子等離子體中也可能有J/ψ介子產生。因此在碰撞初始狀態中還有許多未知數。

也有理論認為，這個過程在超級質子同步加速器中不是導致J/ψ介子的消失，而是導致其產生。由於夸克膠子等離子體中眾多粲夸克的存在，更多J/ψ介子會產生。此外含粲的B介子（$B_{c}$介子）也可能提供夸克自由運動的跡象。

衰變

由於OZI規則J/ψ介子的強子衰變很少。這個效應大大延長了該粒子的壽命。因此它的衰變寬度僅為93.2±2.1千電子伏特。因此J/ψ介子的電磁衰變能夠與強子衰變競爭。

外部連結

• Weak Interactions with Lepton-Hadron Symmetry. The GIM Paper.
• Logbook page of J/ψ co-discovery at SLAC
• ψ discovery paper.
• J discovery paper.
• Naming scheme for hadrons, W.-M. Yao et al., J. Phys. G 33, 108 (2006)（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）