ในฟิสิกส์อนุภาคควาร์กโคเนียม (มาจากคำว่าquarkและ-onium , พหูพจน์quarkonia ) คือเมซอนไร้รสชาติ ซึ่งประกอบด้วยควาร์ก หนัก และแอนติควาร์กของตัวเองทำให้มันเป็นทั้งอนุภาคที่เป็นกลาง และ ปฏิอนุภาคของตัวเองชื่อ "ควาร์กโคเนียม" มีความคล้ายคลึงกับโพซิตรอน เนียม ซึ่งเป็นสถานะผูกพันของอิเล็กตรอนและแอนติอิเล็กตรอนอนุภาคเหล่านี้มีอายุสั้นเนื่องจากการทำลายล้างของสสารและปฏิสสาร

ควาร์กเบา ( อัพดาวน์และสเตรนจ์ ) มีมวลน้อยกว่าควาร์กหนักมาก ดังนั้นสถานะทางกายภาพที่พบเห็นได้จริงในการทดลอง ( เมซอน η , η′และπ₀ ) จึงเป็นส่วนผสมทางกลศาสตร์ควอนตัมของสถานะควาร์กเบา ความแตกต่างของมวลที่มากกว่ามากระหว่างควา^ร์กเสน่ห์และ ควาร์ก ด้านล่างกับควาร์กเบา ส่งผลให้สถานะต่างๆ สามารถนิยามได้อย่างชัดเจนในแง่ของคู่ควาร์ก-แอนติควาร์กที่มีรสชาติเดียวกัน

ควาร์โคเนีย สถานะผูกพันของ คู่ ชาร์โมเนียม ( c c ) และบอตโตโทเนียม ( b b ) เป็นตัวตรวจสอบที่สำคัญสำหรับการศึกษาพลาสมาควาร์ก-กลูออน ที่ปลดปล่อยออกมา ซึ่งสร้างขึ้นในการชนกันของไอออนหนักที่มีความเร็วสูงมาก^{[ 1 ]} ตระกูล ψ และϒให้หลักฐานโดยตรงเกี่ยวกับโครงสร้างควาร์กของแฮดรอนสนับสนุนภาพควาร์ก-กลูออน ของควอน ตัมโครโมไดนามิกส์แบบรบกวน (QCO) และช่วยกำหนดพารามิเตอร์มาตราส่วน QCD${\displaystyle \Lambda }$อุณหภูมิการแยกตัวของสถานะควาร์โคเนียมขึ้นอยู่กับพลังงานยึดเหนี่ยว โดยสถานะที่ยึดเหนี่ยวแน่น เช่นJ/ ψและ${\displaystyle \Upsilon (1S)}$การหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับสถานะที่มีการยึดเหนี่ยวกันอย่างหลวมๆ เช่น${\displaystyle \psi (2S)}$,${\displaystyle \chi _{c}}$สำหรับตระกูลชาร์โมเนียม และ${\displaystyle \Upsilon (2S)}$,${\displaystyle \Upsilon (3S)}$สำหรับบอตโตเนีย กระบวนการแยกตัวตามลำดับนี้ทำให้สามารถใช้ความน่าจะเป็นของการแยกตัวของควาร์โคเนียมเพื่อประมาณอุณหภูมิของตัวกลาง โดยถือว่าการแยกตัวของควาร์โคเนียมเป็นกลไกหลักที่เกี่ยวข้อง^{[ 2 ]}

เนื่องจากควาร์กท็อปที่ มีมวลมาก จะสลายตัวผ่านปฏิสัมพันธ์อิเล็กโทรวีคก่อนที่จะเกิดสถานะผูกพัน อย่างไรก็ตาม ใกล้กับเกณฑ์การผลิตคู่ สถานะผูกพันเทียมจะปรากฏขึ้น ทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นที่คล้ายกับยอดเรโซแนนซ์ สถานะผูกพันเทียมนี้บางครั้งถูกตีความว่าเป็นโทโพเนียม^{[ 3 ] [ 4 ]}

ชาร์โมเนียม

ในตารางต่อไปนี้ อนุภาคเดียวกันสามารถตั้งชื่อได้ด้วยสัญลักษณ์ทางสเปกโทรสโกปีหรือด้วยมวลของมัน ในบางกรณีจะใช้ลำดับการกระตุ้น: ψ′ คือการกระตุ้นครั้งแรกของ ψ (ซึ่งด้วยเหตุผลทางประวัติศาสตร์เรียกว่า อนุภาค J/ ψ ); ψ″ คือการกระตุ้นครั้งที่สอง และอื่นๆ นั่นคือ ชื่อในเซลล์เดียวกันมีความหมายเหมือนกัน

บางสถานะถูกทำนายไว้ แต่ยังไม่ได้รับการระบุ บางสถานะยังไม่ได้รับการยืนยัน เลขควอนตัมของ อนุภาค X(3872)ได้รับการวัดในปี 2013 โดยการทดลอง LHCb ที่ CERN ^{[ 5 ]}การวัดนี้ทำให้เห็นถึงเอกลักษณ์ของอนุภาคได้บ้าง โดยไม่รวมตัวเลือกที่สามจากสามตัวเลือกที่คาดการณ์ไว้ ซึ่งได้แก่:

• สถานะไฮบริดชาร์โมเนียม
• อะดี⁰ดี^{∗ 0}โมเลกุล
• ผู้สมัครรับเลือกตั้งในรัฐ 1 ¹ D

ในปี 2548 การทดลอง BaBarประกาศการค้นพบสถานะใหม่: Y(4260) [ ^{6 ] [ 7 ] CLEO}และ Belle ได้ยืนยันการสังเกตการณ์เหล่านี้ตั้งแต่นั้นมา ในตอนแรก Y(4260) ถูกคิดว่าเป็นสถานะชาร์โมเนียม แต่หลักฐานชี้ให้เห็นถึงคำอธิบายที่แปลกใหม่กว่า เช่น "โมเลกุล" D โครงสร้าง 4 ควาร์ก หรือเมซอน ไฮบริ ด

สัญลักษณ์เทอมn 2 S +1 L	ไอจี (เจพีซี)​	อนุภาค	มวล[ MeV/ c 2 ] [ 8 ]
1 1 S	0 + (0 − + )	η (1 S )	2 983 .4 ± 0.5
1 3 S	0 − (1 − − )	J/ ψ (1 S )	3 096 .900 ± 0.006
1 1 P	0 − (1 + − )	h (1 P )	3 525 .38 ± 0.11
1 3 P	0 + (0 ++ )	χ (1 P )	3 414 .75 ± 0.31
1 3 P	0 + (1 ++ )	χ (1 P )	3 510 .66 ± 0.07
1 3 P	0 + (2 ++ )	χ (1 P )	3 556 .20 ± 0.09
2 1 S	0 + (0 − + )	η (2 S ) หรือη ′	3 639 .2 ± 1.2
2 3 S	0 − (1 − − )	ψ(2S) หรือ ψ(3686)	3 686 .097 ± 0.025
1 1 D	0 + (2 − + )	η (1 D )
1 3 D	0 − (1 − − )	ψ(3770)	3 773 .13 ± 0.35
1 3 D	0 − (2 − − )	ψ (1 D )
1 3 D	0 − (3 − − )	ψ (1 D ) [‡]
2 1 P	0 − (1 + − )	h (2 P ) [‡]
2 3 P	0 + (0 ++ )	χ (2 P ) [‡]
2 3 P	0 + (1 ++ )	χ (2 P ) [‡]
2 3 P	0 + (2 ++ )	χ (2 P ) [‡]
? ? ?	0 + (1 ++ ) [ * ]	X(3872)	3 871 .69 ± 0.17
? ? ?	? ? (1 − − ) [†]	Y(4260)	4263 +8 −9

หมายเหตุ:

[ ]ต้องการการยืนยัน

[†]การตีความว่าเป็นสถานะชาร์โมเนียม 1 ^{− −}ไม่เป็นที่ยอมรับ

[‡]คาดการณ์ไว้ แต่ยังไม่สามารถระบุได้

บอทโทโมเนียม

ในตารางต่อไปนี้ อนุภาคเดียวกันอาจถูกตั้งชื่อด้วยสัญลักษณ์ทางสเปกโทรสโกปีหรือด้วยมวลของมัน บางสถานะถูกทำนายไว้แล้วแต่ยังไม่ได้รับการระบุ บางสถานะยังไม่ได้รับการยืนยัน

สัญลักษณ์เทอมn 2 S +1 L	ไอจี (เจพีซี)​	อนุภาค	มวล[ MeV/ c 2 ] [ 9 ]
1 1 S	0 + (0 − + )	η (1S)	9 390 .9 ± 2.8
1 3 S	0 − (1 − − )	ϒ (1S)	9 460 .30 ± 0.26
1 1 P	0 − (1 + − )	ชม. (1P)	9 899 .3 ± 0.8
1 3 P	0 + (0 ++ )	χ (1P)	9 859 .44 ± 0.52
1 3 P	0 + (1 ++ )	χ (1P)	9 892 .76 ± 0.40
1 3 P	0 + (2 ++ )	χ (1P)	9 912 .21 ± 0.40
2 1 S	0 + (0 − + )	η (2S)
2 3 S	0 − (1 − − )	ϒ (2S)	10 023 .26 ± 0.31
1 1 D	0 + (2 − + )	η (1D)
1 3 D	0 − (1 − − )	ϒ (1D)
1 3 D	0 − (2 − − )	ϒ (1D)	10 161 .1 ± 1.7
1 3 D	0 − (3 − − )	ϒ (1D)
2 1 P	0 − (1 + − )	ชม. (2P)	10 259 .8 ± 1.2
2 3 P	0 + (0 ++ )	χ (2P)	10 232 .5 ± 0.6
2 3 P	0 + (1 ++ )	χ (2P)	10 255 .46 ± 0.55
2 3 P	0 + (2 ++ )	χ (2P)	10 268 .65 ± 0.55
3 3 S	0 − (1 − − )	ϒ (3S)	10 355 .2 ± 0.5
3 3 P	0 + (1 ++ )	χ (3P)	10 513 .42 ± 0.41 (สถิติ) ± 0.53 (ระบบ) [ 10 ]
3 3 P	0 + (2 ++ )	χ (3P)	10 524 .02 ± 0.57 (สถิติ) ± 0.53 (ระบบ) [ 10 ]
4 3 S	0 − (1 − − )	ϒ (4 S ) หรือ ϒ (10580)	10 579 .4 ± 1.2
5 3 S	0 − (1 − − )	ϒ (5S) หรือ ϒ (10860)	10 865 ± 8
6 3 S	0 − (1 − − )	ϒ (11020)	11 019 ± 8

หมายเหตุ :

[ ]ผลการวิจัยเบื้องต้น จำเป็นต้องมีการยืนยันเพิ่มเติม

สถานะϒ (1S) ถูกค้นพบโดย ทีม ทดลอง E288ซึ่งนำโดยLeon Ledermanที่Fermilabในปี 1977 และเป็นอนุภาคแรกที่มีควาร์กด้านล่างที่ถูกค้นพบ เมื่อวันที่ 21  ธันวาคม 2011 สถานะχ (3P) เป็นอนุภาคแรกที่ถูกค้นพบในเครื่อง(Large Hadron Collider) โดยบทความการค้นพบนี้ถูกโพสต์ครั้งแรกบนarXiv^[11][12]ในเดือนเมษายน 2012การทดลอง DØ ของ Tevatronได้ยืนยันผลลัพธ์ในบทความที่ตีพิมพ์ในPhysical Review D[^{13][14]สถานะ} J=1 และJ= 2 ได้รับการแก้ไขครั้งแรกโดยการทดลอง CMSในปี 2018^[10]

โทโพเนียม

โทโพเนียมคือสถานะผูกพันของควาร์กท็อป (${\displaystyle t}$) และอนุภาคปฏิปักษ์ของมัน คือ แอนติควาร์กบนสุด (${\displaystyle {\bar {t}}}$). ^{[ 15 ]}ในขณะที่ทฤษฎีเกจมาตรฐานทำนายการมีอยู่ของ${\displaystyle t}$-ควาร์ก เพื่อให้ครบตระกูลควาร์ก-เลปตอนที่สาม พยายามสังเกตโทโพเนียม${\displaystyle (t{\bar {t}})}$ความพยายามดังกล่าวไม่ประสบความสำเร็จ การสลายตัวอย่างรวดเร็วของควาร์กบนและการกระจายตัวอย่างกว้างขวางของพลังงานลำแสงทำให้เกิดความท้าทายในการทดลองอย่างมาก^{[ 16 ] [ 17 ]}อย่างไรก็ตาม การค้นหายังคงดำเนินต่อไปด้วยวิธีการทางอ้อม เช่น การตรวจจับผลิตภัณฑ์การสลายตัวเฉพาะหรือความผิดปกติที่บ่งชี้ถึงคู่ควาร์กบน การศึกษาการสลายตัวของโทโพเนียมเป็นแนวทางที่น่าสนใจในการค้นหาอนุภาคฮิกส์ที่มีมวลสูงถึงประมาณ 70 GeV ในขณะที่การค้นหาที่คล้ายกันในการสลายตัวของบอตโทเนียมสามารถขยายช่วงนี้ไปถึง 160 GeV ได้ นอกจากนี้ การศึกษาความกว้างของการสลายตัวของกลูออนในควาร์กโอเนียเบาสามารถช่วยกำหนดพารามิเตอร์มาตราส่วนควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (QCD) ได้ ^{[ 18 ]}

ในเดือนเมษายน พ.ศ. 2568 การวิเคราะห์ตัวอย่างการชนกัน 138  fb ^{−1 ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2559 ถึง พ.ศ. 2561} การทดลอง CMSที่LHCรายงานว่ามีคู่ท็อป-แอนติท็อปเกินที่เกณฑ์การผลิตท็อป-แอนติท็อปด้วยนัยสำคัญทางสถิติมากกว่า 5 σ ^{[ 19 ] [ 20 ]}ส่วนเกินนี้เข้ากันได้กับเมซอนเพสโดสเกลาร์ท็อป-แอนติท็อปแบบกึ่งผูกพันที่เรียกว่าโทโพเนียม

การคำนวณคุณสมบัติของเมซอนในควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (QCD) เป็นการคำนวณที่ไม่ใช้การรบกวนโดยสิ้นเชิง ดังนั้น วิธีการทั่วไปเพียงวิธีเดียวที่มีอยู่คือการคำนวณโดยตรงโดยใช้ เทคนิค แลตติส QCD (LQCD) อย่างไรก็ตาม สำหรับควาร์กโคเนียมหนัก เทคนิคอื่นๆ ก็มีประสิทธิภาพเช่นกัน

ควาร์กเบาในเมซอนเคลื่อนที่ด้วย ความเร็ว สัมพัทธภาพเนื่องจากมวลของสถานะผูกพันนั้นใหญ่กว่ามวลของควาร์กมาก อย่างไรก็ตาม ความเร็วของควาร์กเสน่ห์และควาร์กด้านล่างในควาร์กโอเนียของพวกมันนั้นน้อยมากจนผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพในสถานะเหล่านี้ลดลงอย่างมาก มีการประมาณว่าความเร็ว${\displaystyle \mathbf {v} }$โดยประมาณแล้ว ความเร็วของชาร์โมเนียจะเท่ากับ 0.3  เท่าของความเร็วแสงและ ความเร็วของบอตโทเนียจะเท่ากับ 0.1 เท่าของความเร็วแสง จากนั้นสามารถประมาณค่าการคำนวณได้โดยการกระจายกำลังของ${\displaystyle \mathbf {v} /c}$และ${\displaystyle v^{2}/c^{2}}$เทคนิคนี้เรียกว่าQCD แบบไม่สัมพัทธภาพ (NRQCD)

NRQCDยังได้รับการควอนตัมเป็นทฤษฎีเกจแบบแลตติสซึ่งเป็นอีกเทคนิคหนึ่งที่สามารถนำมาใช้ในการคำนวณ LQCD ได้ พบว่ามีความสอดคล้องที่ดีกับมวลของบอตโตเนียม และนี่เป็นหนึ่งในการทดสอบแบบไม่รบกวนที่ดีที่สุดของ LQCD สำหรับมวลของชาร์โมเนียม ความสอดคล้องยังไม่ดีเท่า แต่ชุมชน LQCD กำลังทำงานอย่างแข็งขันเพื่อปรับปรุงเทคนิคของตน นอกจากนี้ยังมีการทำงานเกี่ยวกับการคำนวณคุณสมบัติต่างๆ เช่น ความกว้างของสถานะควาร์กโอเนียและอัตราการเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะต่างๆ ด้วย

เทคนิคในยุคแรกๆ แต่ยังคงมีประสิทธิภาพอยู่ คือการใช้แบบจำลอง ศักยภาพ ที่มีประสิทธิภาพในการคำนวณมวลของสถานะควาร์โคเนียม ในเทคนิคนี้ เราใช้ข้อเท็จจริงที่ว่าการเคลื่อนที่ของควาร์กที่ประกอบเป็นสถานะควาร์โคเนียมนั้นไม่ใช่แบบสัมพัทธภาพ เพื่อสมมติว่าพวกมันเคลื่อนที่ในศักยภาพคงที่ คล้ายกับแบบจำลองอะตอมไฮโดรเจนที่ไม่ใช่แบบสัมพัทธภาพ แบบจำลองศักยภาพที่เป็นที่นิยมมากที่สุดแบบหนึ่งคือศักยภาพคอร์เนลล์ (หรือศักยภาพกรวย ) ที่เรียก ว่า^{[ 21 ]}

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

ที่ไหน${\displaystyle r}$คือรัศมีประสิทธิผลของสถานะควาร์โคเนียม${\displaystyle a}$และ${\displaystyle b}$เป็นพารามิเตอร์

ศักยภาพนี้ประกอบด้วยสองส่วน ส่วนแรกคือ...${\displaystyle a/r}$ซึ่งสอดคล้องกับศักยภาพที่เกิดจากการแลกเปลี่ยนกลูออนหนึ่งตัวระหว่างควาร์กและแอนติควาร์ก และเป็นที่รู้จักกันในชื่อส่วนของศักยภาพแบบคูลอมบ์ เนื่องจาก${\displaystyle 1/r}$รูปแบบนี้เหมือนกับศักย์คูลอมบ์ที่รู้จักกันดีซึ่งเกิดจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้า

ส่วนที่สอง${\displaystyle b\,r}$เป็นที่รู้จักกันในชื่อ ส่วนของ การกักขังของศักยภาพ และเป็นตัวกำหนดพารามิเตอร์ของผลกระทบที่ไม่ใช่การรบกวนซึ่งยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ของ QCD โดยทั่วไป เมื่อใช้วิธีนี้ จะเลือกรูปแบบที่สะดวกสำหรับฟังก์ชันคลื่นของควาร์ก แล้วจึง${\displaystyle a}$และ${\displaystyle b}$ค่าเหล่านี้ถูกกำหนดโดยการปรับผลการคำนวณให้เข้ากับมวลของสถานะควาร์โคเนียมที่วัดได้อย่างแม่นยำ ผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพและผลกระทบอื่นๆ สามารถนำมาใช้ในแนวทางนี้ได้โดยการเพิ่มพจน์พิเศษเข้าไปในศักยภาพ เช่นเดียวกับที่ทำในแบบจำลองอะตอมไฮโดรเจนในกลศาสตร์ควอนตัมแบบไม่สัมพัทธภาพ

รูปแบบนี้ได้มาจาก QCD จนถึง${\displaystyle {\mathcal {O}}(\Lambda _{\text{QCD}}^{3}\,r^{2})}$โดย Sumino (2003) ^{[ 22 ]}เป็นที่นิยมเพราะช่วยให้สามารถทำนายพารามิเตอร์ของควาร์โคเนียมได้อย่างแม่นยำโดยไม่ต้องคำนวณแลตติซเป็นเวลานาน และให้การแยก ผลกระทบ คูลอมบ์ ระยะสั้นและผลกระทบ การกักขังระยะไกลซึ่งมีประโยชน์ในการทำความเข้าใจแรงควาร์ก/แอนติควาร์กที่สร้างขึ้นโดย QCD

มีการเสนอให้ใช้ควาร์กโคเนียเป็นเครื่องมือวินิจฉัยการก่อตัวของพลาสมาควาร์ก-กลูออนโดยทั้งการหายไปและการเพิ่มขึ้นของการก่อตัวของควาร์กโคเนียขึ้นอยู่กับปริมาณของควาร์กหนักในพลาสมา

• กฎของ OZI