Гиперядро похоже на обычное атомное ядро , но содержит по крайней мере один гиперон в дополнение к обычным протонам и нейтронам . Гипероны — это категория барионных частиц, которые несут ненулевое квантовое число странности , которое сохраняется сильными и электромагнитными взаимодействиями .
Различные реакции дают возможность внести одну или несколько единиц странности в ядро. Гиперядра, содержащие самый легкий гиперон, лямбда (Λ), как правило, связаны сильнее, чем обычные ядра, хотя они могут распадаться посредством слабого взаимодействия со средним временем жизни около200 пс . Проводились поиски гиперядер сигма (Σ), а также дважды странных ядер, содержащих кси-барионы (Ξ) или два Λ.
Гиперядра названы в терминах их атомного номера и барионного номера , как в обычных ядрах, плюс гиперон(ы), которые перечислены в левом нижнем индексе символа, с оговоркой, что атомный номер интерпретируется как полный заряд гиперядра, включая заряженные гипероны, такие как xi минус (Ξ − ), а также протоны. Например, гиперядро16
ЛО
содержит 8 протонов, 7 нейтронов и один Λ (который не несет заряда). [1]
Первый был открыт Марианом Данышем и Ежи Пневским в 1952 году с использованием ядерной эмульсионной пластины, подвергнутой воздействию космических лучей , на основе их энергичного, но замедленного распада. Было высказано предположение, что это событие произошло из-за ядерного фрагмента, содержащего Λ-барион. [2] Эксперименты вплоть до 1970-х годов продолжили изучать гиперядра, полученные в эмульсиях с использованием космических лучей, а позднее с использованием пучков пионов (π) и каонов (K) от ускорителей частиц . [1]
Начиная с 1980-х годов более эффективные методы производства с использованием пионных и каонных пучков позволили провести дальнейшие исследования на различных ускорительных установках, включая ЦЕРН , Брукхейвенскую национальную лабораторию , KEK , DAφNE и JPARC . [3] [4] В 2010-х годах эксперименты с тяжелыми ионами , такие как ALICE и STAR, впервые позволили производить и измерять легкие гиперядра, образованные путем адронизации из кварк-глюонной плазмы . [5]
Гиперядерная физика отличается от физики обычных ядер, поскольку гиперон отличается от спина четырех нуклонов и изоспина . То есть, один гиперон не ограничен принципом исключения Паули и может опуститься до самого низкого энергетического уровня. [6] Таким образом, гиперядра часто меньше и более тесно связаны, чем обычные ядра; [7] например, гиперядро лития7
ЛЛи
на 19% меньше, чем нормальное ядро 6 Li. [8] [9] Однако гипероны могут распадаться посредством слабого взаимодействия ; среднее время жизни свободного Λ равно263 ± 2 пс , а у гиперядра Λ он обычно немного короче. [10]
Обобщенная формула массы, разработанная как для нестранных нормальных ядер, так и для странных гиперядер, может оценить массы гиперядер, содержащих гипероны Λ, ΛΛ, Σ и Ξ. [11] [12] Предсказаны нейтронные и протонные границы для гиперядер, а также предполагается существование некоторых экзотических гиперядер за пределами нормальных нейтронных и протонных границ. [7] Эта обобщенная формула массы была названа «формулой Саманты» Ботвиной и Походзаллой и использовалась для предсказания относительных выходов гиперядер в столкновениях тяжелых ионов. [13]
Самый простой и наиболее изученный тип гиперядра включает только самый легкий гиперон, Λ. [6]
В то время как два нуклона могут взаимодействовать посредством ядерной силы , опосредованной виртуальным пионом, Λ становится барионом Σ при испускании пиона, [a] поэтому взаимодействие Λ-нуклона опосредуется исключительно более массивными мезонами, такими как η- и ω -мезоны, или посредством одновременного обмена двумя или более мезонами. [15] Это означает, что взаимодействие Λ-нуклона слабее и имеет меньший радиус действия, чем стандартная ядерная сила, а потенциальная яма Λ в ядре мельче, чем у нуклона; [16] в гиперядрах глубина потенциала Λ составляет приблизительно 30 МэВ . [17] Однако обмен одним пионом во взаимодействии Λ-нуклона действительно вызывает квантово-механическое смешивание барионов Λ и Σ в гиперядрах (чего не происходит в свободном пространстве), особенно в гиперядрах, богатых нейтронами. [18] [19] [20] Кроме того, ожидается, что трехчастичная сила между Λ и двумя нуклонами будет более важной, чем трехчастичное взаимодействие в ядрах, поскольку Λ может обмениваться двумя пионами с виртуальным промежуточным Σ, в то время как эквивалентный процесс в нуклонах требует относительно тяжелого промежуточного дельта-бариона (Δ). [15]
Как и все гипероны, гиперядра Λ могут распадаться через слабое взаимодействие , которое изменяет их на более легкие барионы и испускает мезон или пару лептон -антилептон. В свободном пространстве Λ обычно распадается через слабое взаимодействие на протон и π - мезон, или нейтрон и π 0 , с общим периодом полураспада263 ± 2 пс . [21] Нуклон в гиперядре может вызвать распад Λ посредством слабого взаимодействия без испускания пиона; этот процесс становится доминирующим в тяжелых гиперядрах из-за подавления моды распада с испусканием пиона. [22] Период полураспада Λ в гиперядре значительно короче, достигая плато примерно215 ± 14 пс около56
ЛФе
, [23] но некоторые эмпирические измерения существенно не согласуются друг с другом или с теоретическими предсказаниями. [24]
Простейшим гипернуклеусом является гипертритон (3
ЛЧАС
), которая состоит из одного протона, одного нейтрона и одного Λ-гиперона. Λ в этой системе очень слабо связан, имея энергию разделения 130 кэВ и большой радиус 10,6 фм [25] по сравнению с примерно2,13 Фм для дейтрона . [26]
Эта слабая связь подразумевает время жизни, аналогичное свободному Λ. Однако измеренное время жизни гипертритона, усредненное по всем экспериментам (около206+15
−13 ps ) существенно короче, чем предсказывает теория, поскольку ожидается, что немезонный режим распада будет относительно незначительным; некоторые экспериментальные результаты существенно короче или длиннее этого среднего значения. [27] [28]
Существование гиперядер, содержащих барион Σ, менее ясно. Несколько экспериментов в начале 1980-х годов сообщили о связанных гиперядерных состояниях выше энергии разделения Λ и предположительно содержащих один из немного более тяжелых барионов Σ, но эксперименты, проведенные позже в этом десятилетии, исключили существование таких состояний. [6] Результаты по экзотическим атомам, содержащим Σ − , связанный с ядром электромагнитной силой , обнаружили чистое отталкивающее взаимодействие Σ-нуклон в гиперядрах среднего и большого размера, что означает, что гиперядер Σ не существует в таком диапазоне масс. [6] Однако эксперимент 1998 года определенно наблюдал легкое гиперядро Σ4
ΣОн
. [6]
Были созданы гиперядра, содержащие два Λ-бариона. Однако такие гиперядра гораздо сложнее производить из-за содержания двух странных кварков, и по состоянию на 2016 год [обновлять]было обнаружено только семь кандидатов на роль ΛΛ-гиперядер. [29] Как и взаимодействие Λ-нуклона, эмпирические и теоретические модели предсказывают, что взаимодействие Λ-Λ является умеренно притягательным. [30] [31]
Известны гиперядра, содержащие Ξ-барион. [ необходима цитата ] Эмпирические исследования и теоретические модели показывают, что взаимодействие Ξ – –протонов является притягивающим, но слабее, чем взаимодействие Λ–нуклонов. [30] Подобно Σ – и другим отрицательно заряженным частицам, Ξ – также может образовывать экзотический атом. Когда Ξ – связан в экзотическом атоме или гиперядре, он быстро распадается на гиперядро ΛΛ или на два гиперядра Λ путем обмена странным кварком с протоном, что высвобождает около 29 МэВ энергии в свободном пространстве: [b]
Гиперядра, содержащие омега-барион (Ω), были предсказаны с помощью решеточной КХД в 2018 году; в частности, ожидается, что дибарионы протон–Ω и Ω–Ω (связанные системы, содержащие два бариона) будут стабильными. [35] [36] По состоянию на 2022 год [обновлять]такие гиперядра не наблюдались ни при каких условиях, но самые легкие такие виды могут быть получены в столкновениях тяжелых ионов, [37] и измерения эксперимента STAR согласуются с существованием дибариона протон–Ω. [38]
Поскольку Λ электрически нейтрален, а его ядерные силовые взаимодействия являются притягивающими, предсказывается существование произвольно больших гиперядер с высокой странностью и малым чистым зарядом, включая виды без нуклонов. Энергия связи на барион в мультистранных гиперядрах может достигать 21 МэВ/ А при определенных условиях [7] по сравнению с 8,80 МэВ/ А для обычного ядра 62 Ni . [39] Кроме того, образование Ξ барионов должно быстро стать энергетически выгодным, в отличие от случая, когда нет Λ, поскольку обмен странностью с нуклоном был бы невозможен из-за принципа исключения Паули. [40]
Было разработано несколько способов получения гиперядер путем бомбардировки обычных ядер.
Один из методов получения K − -мезона заключается в обмене странного кварка на нуклон и превращении его в Λ: [41]
Поперечное сечение образования гиперядра максимизируется, когда импульс пучка каонов составляет приблизительно 500 МэВ/ с . [42] Существует несколько вариантов этой установки, включая те, в которых падающие каоны либо останавливаются перед столкновением с ядром. [41]
В редких случаях входящий K − может вместо этого образовывать гиперядро Ξ посредством реакции:
Эквивалентная реакция создания странности включает реакцию π + -мезона с нейтроном, в результате которой он превращается в Λ: [44]
Эта реакция имеет максимальное поперечное сечение при импульсе пучка 1,05 ГэВ/ с и является наиболее эффективным путем производства гиперядер Λ, но требует более крупных мишеней, чем методы обмена странностью. [44]
Рассеивание электронов на протоне может изменить его на Λ и произвести K + : [45]
где штрих обозначает рассеянный электрон. Энергию электронного пучка можно настроить легче, чем пионные или каонные пучки, что упрощает измерение и калибровку гиперядерных энергетических уровней. [45] Первоначально теоретически предсказанный в 1980-х годах, этот метод был впервые использован экспериментально в начале 2000-х годов. [46]
Захват Ξ − бариона ядром может создать экзотический атом Ξ − или гиперядро. [33] После захвата он превращается в гиперядро ΛΛ или два гиперядра Λ. [47] Недостатком является то, что Ξ − барион сложнее превратить в пучок, чем отдельные странные адроны. [48] Однако эксперимент в J-PARC, начатый в 2020 году, будет собирать данные о гиперядрах Ξ и ΛΛ с использованием аналогичной, не пучковой установки, где рассеянные Ξ − барионы выпадают на эмульсионную мишень. [33]
K - мезон может вращаться вокруг ядра в экзотическом атоме, например, в каонном водороде . [49] Хотя сильное взаимодействие K - протона в каонном водороде является отталкивающим, [50] взаимодействие K - ядра является притягивающим для более крупных систем, поэтому этот мезон может войти в сильно связанное состояние, тесно связанное с гиперядром; [6] в частности, система K - протон-протон экспериментально известна и связана более прочно, чем обычное ядро. [51]
Ядра, содержащие очарованный кварк, были предсказаны теоретически с 1977 года [52] и описаны как очарованные гиперядра, несмотря на возможное отсутствие странных кварков. [53] В частности, самые легкие очарованные барионы, барионы Λ c и Σ c [c] , как предсказано, существуют в связанных состояниях в очарованных гиперядрах и могут быть созданы в процессах, аналогичных тем, которые используются для создания гиперядер. [53] Глубина потенциала Λ c в ядерной материи, как предсказано, составляет 58 МэВ [53] , но в отличие от Λ-гиперядер, более крупные гиперядра, содержащие положительно заряженный Λ c, были бы менее стабильны, чем соответствующие Λ-гиперядра из-за кулоновского отталкивания . [54] Разница масс между Λ c и
Σ+
сслишком велико для того, чтобы заметное смешивание этих барионов произошло в гиперядрах. [55] Слабые распады очарованных гиперядер имеют сильные релятивистские поправки по сравнению с обычными гиперядрами, поскольку энергия, выделяемая в процессе распада, сравнима с массой Λ-бариона. [56]
В августе 2024 года коллаборация STAR сообщила о наблюдении самого тяжелого известного ядра антиматерии , антигиперводорода-4, состоящего из одного антипротона , двух антинейтронов и антигиперона . [57] [58] [59]
Ранее также наблюдались антилямбда-гиперон [60] и антигипертритон [61] .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )