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第351章 夸克 二（第2页）

粲夸克是第二代夸克中较重的成员，其质量约为vc（根据粒子数据组的测量值），比奇夸克（约vc）重得多，但比底夸克（b，约vc）和顶夸克（t，约vc）轻。它的电荷为+e，与上夸克相同，但质量远高于上夸克（仅约vc）。

粲夸克的自旋为，属于费米子，遵循泡利不相容原理。在标准模型中，粲夸克参与三种基本相互作用：

强相互作用：通过胶子与其他夸克或自身结合，形成强子（如粲介子或粲重子）。

弱相互作用：粲夸克可以通过弱力衰变成更轻的夸克（如s或d夸克），并释放du?玻色子。

电磁相互作用：由于携带电荷，粲夸克参与电磁过程，如光子的辐射或吸收。

粲夸克的一个重要特征是它的“粲数”（c=+），类似于奇夸克的“奇异性”（s=）。粲数守恒在强相互作用和电磁相互作用中成立，但在弱相互作用中可能被破坏，这导致粲夸克粒子的衰变通常涉及粲数的改变。

粲夸克在强子中的角色

粲夸克最常见的束缚态是粲介子和粲重子。粲介子由一个粲夸克和一个反夸克（如u、d?或s?）组成，而粲重子由三个夸克构成，其中至少包含一个粲夸克。

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粲介子

粲介子的典型例子包括：

d?介子（c?d）：由一个粲夸克和一个反下夸克组成，质量约vc。

d?介子（c?u）：由一个粲夸克和一个反上夸克组成，质量约vc。

d??介子（c?s）：由一个粲夸克和一个反奇夸克组成，质量约vc。

这些介子的质量明显高于普通介子（如π介子或k介子），反映了粲夸克的高质量贡献。此外，粲介子的衰变通常涉及弱相互作用，导致它们具有相对较长的寿命（约o?秒），比强衰变的粒子（如p介子）寿命长得多。

粲重子

粲重子是包含粲夸克的三夸克束缚态，例如：

a??（udc）：由u、d和c夸克组成，质量约vc。

Ξ???（uuc）：由两个u夸克和一个c夸克组成，质量约vc。

这些重子的研究有助于理解粲夸克在强子内部的动力学行为，尤其是qcd在非微扰能区的性质。

粲夸克的相互作用与衰变

粲夸克的主要衰变模式是通过弱相互作用转变为更轻的夸克（s或d）。例如：

c→s+du?（随后du?衰变成轻子或夸克对）。

c→d+du?（较少见，因为|v_{cd}|＜|v_{cs}|，其中v是ck矩阵元素）。

ck矩阵（cabibbokobayashiaskadua）描述了夸克味转变的概率，而粲夸克的衰变依赖于矩阵中的v_{cs}和v_{cd}元素。实验测量表明，粲夸克更倾向于衰变成s夸克（因为v_{cs}≈o，而v_{cd}≈o），这解释了为什么d??介子（c?s）比d?或d?介子更稳定。

粲夸克的衰变过程还涉及cp破坏（电荷宇称对称性破缺）的研究。例如，d?和d??介子的混合和cp不对称性在近年来的lhcb和bee实验中得到了精确测量，为标准模型的检验提供了重要数据。

实验观测与技术挑战

由于粲夸克无法自由存在，实验上只能通过其束缚态（如d介子或jψ粒子）来研究其性质。主要的实验手段包括：

固定靶实验：如费米实验室的e实验，利用高能质子束轰击靶物质，产生粲强子。

电子正电子对撞机：如besiii（北京正负电子对撞机），专门研究粲夸克偶素（如jψ和ψs）的衰变。

强子对撞机：如lhcb（大型强子对撞机的粲物理实验），通过pp碰撞产生大量粲粒子，并测量其稀有衰变。

实验挑战包括：

背景抑制：粲夸克粒子的信号通常被大量普通强子淹没，需要高精度的探测器（如硅顶点探测器）来区分。

寿命测量：由于粲强子的寿命极短（皮秒量级），实验需要精确测定其衰变顶点。

理论意义与未解问题