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 при сильных и электромагнитных взаимодействиях .
Разнообразие реакций дает возможность разместить в ядре одну или несколько единиц странности. Гиперядра, содержащие самый легкий гиперон, лямбда (Λ), имеют тенденцию быть более прочно связанными, чем нормальные ядра, хотя они могут распадаться под действием слабого взаимодействия со средним временем жизни около200 пс . Были найдены сигма -гиперядра (Σ), а также дважды странные ядра, содержащие xi-барионы (Ξ) или два Λ.
Гиперядра называются по их атомному номеру и барионному числу , как и в обычных ядрах, плюс гиперон(ы), которые указаны в левом нижнем индексе символа, с оговоркой, что атомный номер интерпретируется как общий заряд гиперядра. , включая заряженные гипероны, такие как xi минус (Ξ − ), а также протоны. Например, гиперядро16
ΛО
содержит 8 протонов, 7 нейтронов и один Λ (не несущий заряда). [1]
Первый был открыт Марианом Данишем и Ежи Пневским в 1952 году с использованием пластины ядерной эмульсии , 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 до 1970-х годов продолжались по изучению гиперядер, образующихся в эмульсиях, с использованием космических лучей, а затем с использованием пучков пионов (π) и каонов (K) из ускорителей частиц . [1]
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 создать и измерить легкие гиперядра, образовавшиеся в результате адронизации из кварк-глюонной плазмы . [5]
Гиперядерная физика отличается от физики нормальных ядер, поскольку гиперон отличается от четырехнуклонного спина и изоспина . То есть одиночный гиперон не ограничен принципом Паули и может опускаться на самый низкий энергетический уровень. [6] Таким образом, гиперядра часто меньше и более прочно связаны, чем нормальные ядра; [7] например, гиперядро лития7
ΛЛи
на 19% меньше нормального ядра 6 Li. [8] [9] Однако гипероны могут распадаться под действием слабого взаимодействия ; среднее время жизни свободного Λ равно263 ± 2 пс , а у Λ-гиперядра обычно немного короче. [10]
Обобщенная формула массы, разработанная как для нестранных нормальных ядер, так и для странных гиперядер, может оценивать массы гиперядер, содержащих гипероны Λ, ΛΛ, Σ и Ξ. [11] [12] Предсказываются нейтронные и протонные линии для гиперядер и предполагается существование некоторых экзотических гиперядер за пределами обычных нейтронных и протонных линий. [7] Эта обобщенная формула массы была названа Ботвиной и Походзаллой «формулой Саманты» и использовалась для предсказания относительных выходов гиперядер в столкновениях тяжелых ионов. [13]
Самый простой и наиболее хорошо 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 Σ-барионом при испускании пиона, [a] поэтому взаимодействие Λ-нуклона опосредовано исключительно более массивными мезонами, такими как η и ω- мезоны, или посредством одновременного обмена двумя или более мезонами. [15] Это означает, что взаимодействие Λ с нуклоном слабее и имеет меньший радиус действия, чем стандартное ядерное взаимодействие, а потенциальная яма Λ в ядре меньше, чем у нуклона; В [16] в гиперядрах глубина Λ-потенциала составляет примерно 30 МэВ . [17] Однако однопионный обмен при Λ-нуклонном взаимодействии действительно вызывает квантовомеханическое перемешивание Λ и Σ барионов в гиперядрах (чего не происходит в свободном пространстве), особенно в нейтронно-богатых гиперядрах. [18] [19] [20] Кроме того, ожидается, что сила трех тел 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 продукта дельта-бариона (Δ). [15]
Как и все гипероны, Λ-гиперядра могут распадаться в результате слабого взаимодействия , которое превращает его в более легкий барион и испускает мезон или пару лептон -антилептон. В свободном пространстве Λ обычно распадается под действием слабого взаимодействия 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 режима распада пионов. [22] Период полураспада Λ в гиперядре значительно короче, выходя на плато примерно до215 ± 14 пс вблизи56
ΛФе
, [23] , но некоторые эмпирические измерения существенно расходятся друг с другом или с теоретическими предсказаниями. [24]
Простейшее гиперядро — гипертритон (3
ΛЧАС
), который состоит из одного протона, одного нейтрона и одного Λ-гиперона. Λ в этой системе очень слабо связан, имеет энергию разделения 130 кэВ и большой радиус 10,6 фм [25] по сравнению с примерно2,13 Фм для дейтрона . [26]
Эта слабая связь подразумевала бы время жизни, подобное свободному Λ. Однако измеренное время жизни гипертритона, усредненное по всем экспериментам (около206+15
−13 ps ) существенно короче, чем предсказывает теория, поскольку ожидается, что немезонная мода распада будет относительно незначительной; некоторые экспериментальные результаты существенно короче или длиннее этого среднего значения. [27] [28]
Существование гиперядер, содержащих Σ-барион, менее ясно. В нескольких экспериментах начала 1980-х годов сообщалось о связанных гиперядерных состояниях с энергией выше Λ-разделения и предположительно содержащих один из немного более тяжелых Σ-барионов, но эксперименты позже в том же десятилетии исключили существование таких состояний. [6] Результаты исследования экзотических атомов , содержащих Σ -, связанный с ядром электромагнитной силой, обнаружили чистое отталкивающее Σ-нуклонное взаимодействие в гиперядрах среднего и большого размера, что означает, что в таком диапазоне масс не существует Σ-гиперядер. [6] Однако эксперимент 1998 года окончательно обнаружил световое Σ-гиперядро.4
ΣОн
. [6]
Были созданы гиперядра, содержащие два Λ-бариона. Однако такие гиперядра гораздо сложнее создать из-за наличия в них двух странных кварков, и по состоянию на 2016 год [обновлять]наблюдалось только семь гиперядер-кандидатов ΛΛ. [29] Как и взаимодействие Λ-нуклон, эмпирические и теоретические модели предсказывают, что взаимодействие Λ-Λ является умеренно привлекательным. [30] [31]
Известны гиперядра, содержащие Ξ-барион. [ нужна ссылка ] Эмпирические исследования и теоретические модели показывают, что взаимодействие Ξ – –протон является притягивающим, но более слабым, чем взаимодействие Λ–нуклон. [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 Λ гиперядра путем обмена странного кварка на протон, который 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-Ом и Ом-Ом (связанные системы, содержащие два бариона) будут стабильными. [35] [36] По состоянию на 2022 год [обновлять]таких гиперядер не наблюдалось ни при каких условиях, но самые лёгкие такие виды могли образоваться в результате столкновений тяжёлых ионов, [37] и измерения эксперимента STAR согласуются с существованием протон–Ом-дибарион. [38]
Поскольку Λ электрически нейтральен, а его ядерные силовые взаимодействия притягиваются, прогнозируется, что существуют сколь угодно большие гиперядра с высокой странностью и небольшим суммарным зарядом, включая виды без нуклонов. Энергия связи на барион в многострановых гиперядрах может при определенных условиях достигать 21 МэВ/ А [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 Λ-барионов нет, поскольку обмен странностью с нуклоном был бы невозможен из-за принципа Паули. [40]
Было разработано несколько способов производства гиперядер путем бомбардировки нормальных ядер.
Один из методов создания K --мезона заменяет странный кварк нуклоном и превращает его в Λ: [41]
Сечение образования гиперядра максимально, когда импульс каонного пучка составляет примерно 500 МэВ / с . [42] Существует несколько вариантов этой схемы, в том числе те, в которых падающие каоны либо останавливаются перед столкновением с ядром. [41]
В редких случаях поступающий K - может вместо этого создать гиперядро Ξ посредством реакции:
Эквивалентная реакция образования странности включает в себя реакцию π + -мезона с нейтроном, превращающую его в Λ: [44]
Эта реакция имеет максимальное сечение при импульсе пучка 1,05 ГэВ/ c и является наиболее эффективным путем производства Λ-гиперядер, но требует более крупных мишеней, чем методы обмена странностями. [44]
Рассеяние электрона на протоне может изменить его на Λ и создать K + : [45]
где штрих обозначает рассеянный электрон. Энергию электронного пучка легче настраивать, чем пионного или каонного пучка, что упрощает измерение и калибровку уровней гиперядерной энергии. [45] Первоначально этот метод был теоретически предсказан в 1980-х годах, но впервые был использован экспериментально в начале 2000-х годов. [46]
Захват Ξ − бариона ядром может создать Ξ − экзотический атом или гиперядро. [33] При захвате оно превращается в гиперядро ΛΛ или два Λ-гиперядра. [47] Недостаток состоит в том, что Ξ - барион труднее превратить в пучок, чем одиночные странные адроны. [48] Однако эксперимент в J-PARC, начатый в 2020 году, будет собирать данные о гиперядрах Ξ и ΛΛ с использованием аналогичной безпучковой установки, в которой рассеянные Ξ - барионы выпадают на эмульсионную мишень. [33]
К - мезон может вращаться вокруг ядра экзотического атома, например, каонного водорода . [49] Хотя сильное взаимодействие K -- протона в каонном водороде является отталкивающим, [50] взаимодействие K -- ядра притягивает более крупные системы, поэтому этот мезон может перейти в сильносвязанное состояние, тесно связанное с гиперядром; В [6] , в частности, система K – –протон–протон экспериментально известна и более прочно связана, чем нормальное ядро. [51]
Ядра, содержащие очарованный кварк, были предсказаны теоретически с 1977 года [52] и описываются как очарованные гиперядра , несмотря на возможное отсутствие странных кварков. [53] В частности, предсказано, что легчайшие очарованные барионы, барионы Λ c и Σ c , [c] , существуют в связанных состояниях в очарованных гиперядрах и могут создаваться в процессах, аналогичных тем, которые используются для создания гиперядер. [53] По прогнозам , глубина потенциала Λ c в ядерной материи составит 58 МэВ, [53] но в отличие от Λ-гиперядер, более крупные гиперядра, содержащие положительно заряженный Λ c , будут менее стабильными, чем соответствующие Λ-гиперядра, из-за кулоновского отталкивания . [54] Разница масс между Λ c и
Σ+
сслишком велика для того, чтобы в гиперядрах могло произойти заметное смешивание этих барионов. [55] Слабые распады очарованных гиперядер имеют сильные релятивистские поправки по сравнению с распадами обычных гиперядер, поскольку энергия, выделяющаяся в процессе распада, сравнима с массой Λ-бариона. [56]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )