Хиперони — бариони със странни кварки: свойства, разпад и експерименти

Изучете свойствата, разпадите и експериментите с хиперони — бариони със странни кварки; резултати от ЦЕРН, Фермилаб и последствия за CP нарушение.

Хипероните са частици, които се състоят от три кварка и представляват подклас на барионите. Това, което ги отличава, е че имат поне един странен кварк, но не е задължително да съдържат чаровни или долни кварки. Свойството „странност“ се запазва в силните взаимодействия, затова разпадите, при които се променя странността, не могат да протекат чрез силната сила, а изискват по-бавната слаба сила. Това прави много хиперони относително дълготрайни в сравнение с други нестабилни частици.

Състав, спин и маси

Кварките са фермиони със спин 1/2. Сумарният спин на един хиперон зависи от начина, по който спиновете и евентуално орбиталният ъглов момент на трите кварка се комбинират: земните (най-нискоенергийни) състояния на много хиперони имат общ спин 1/2, но съществуват възбудени състояния и бариони с общ спин 3/2 (например Ω^- е барион със спин 3/2). Масите на хипероните са от порядъка на около 1–2 GeV/c^2, вариращи в зависимост от конкретния състав на кварките и възбуденото състояние.

Класификация и примери

• Λ (Λ0) — най-известният хиперон; съставът му е uds и земното му състояние има спин 1/2. В статията по-нататък се среща като ламбда).
• Σ (сигма) — има няколко заредени и незаредени версии (Σ+, Σ0, Σ−), различаващи се по електрически заряд и изотопна компонента.
• Ξ (кси, "сигма с две странности") — съдържа два странни кварка (например dss или uss) и често се нарича кси-хиперон.
• Ω (омега) — състав sss; земното състояние на Ω^- има спин 3/2 и е пример за хиперон с три странни кварка.

Разпад и жизнена продължителност

Поради наличието на странност повечето хиперони се разпадат чрез слабата сила, което води до по-дълги времена на разпад в сравнение с разпадите, управлявани от силните взаимодействия. Например хиперонът Λ0 (често означаван просто Λ; виж ламбда)) най-често се разпада на един протон и един пион (обикновено π−). Друг важен канал е разпадът на Λ0 на неутрон и неутрален пион; и двата канала са значителни и имат различни вероятности (възможен резултат от разпада). Средната продължителност на живота на Λ0 е приблизително 2,6·10⁻¹⁰ секунди, което го прави един от най-дълголетните със странност.

Производство и експерименти

Хипероните се произвеждат в експерименти с висока енергия — при сблъсъци на протони, електрони или други частици, при които се създават кваркови–антикваркови двойки. Изследвания на хиперони се провеждат в много лаборатории по света, включително в ЦЕРН, Фермилаб и SLAC. Те се използват за изучаване на свойства като поляризация, структурни форми и механизми на слаби разпади.

Защо са интересни хипероните

• Разпадите на хиперони дават директни тестове на слабите взаимодействия и симетриите в стандартния модел; измерванията на асиметрии при разпадите могат да търсят нарушение на CP-симетрията.
• Хиперони и хиперядра (ядра, в които един или повече нуклони са заменени от хиперони) помагат да се разбере взаимодействието между странни и неначални частици и имат значение за моделите на ядрена материя при високи плътности.
• В астрофизиката хипероните могат да играят роля в ядрото на неутронните звезди — появата на странни частици там влияе на уравнението на състоянието и на максималната маса на звездата (т.нар. "хиперонен пъзел").

Продължаващите експериментални усилия и прецизни измервания на разпадни канали, срокове на живот, поляризации и CP-асиметрии правят хипероните активна област на изследване както за теоретиците, така и за експериментаторите.

Въпроси и отговори

В: Какво представляват хипероните?

В: Какво е странност?

Въпрос: Колко различни вида комбинации от хиперони съществуват?

В: Какъв е примерът за хиперонна комбинация?

В: Каква е средната продължителност на живота на Λ0 хипероните?

Търсене по буква