Hiperjądro

Hiperjądro jest podobne do konwencjonalnego jądra atomowego , ale oprócz normalnych protonów i neutronów zawiera co najmniej jeden hiperon . Hiperony to kategoria barionowych , które przenoszą niezerową dziwność liczby kwantowej, która jest zachowana przez oddziaływania silne i elektromagnetyczne .

Różnorodne reakcje umożliwiają osadzanie jednej lub więcej jednostek dziwności w jądrze. Hiperjądra zawierające najlżejszy hiperon, lambda (Λ), są zwykle ściślej związane niż normalne jądra, chociaż mogą rozpadać się pod wpływem siły słabej ze średnim czasem życia około 200 ps . Poszukiwano hiperjąder sigma (Σ), podobnie jak podwójnie dziwne jądra zawierające xi bariony (Ξ) lub dwa Λ.

Nomenklatura

Diagram of the eight possible baryons with spin 1/2
Diagram of the ten possible baryons with spin 1/2
Kombinacje trzech kwarków górnych , dolnych i dziwnych o spinie całkowitym 1 ⁄ 2 (po lewej) io spinie całkowitym 3 ⁄ 2 (po prawej).

Hiperjądra są nazywane na podstawie ich liczby atomowej i liczby barionowej , tak jak w normalnych jądrach, plus hiperon (y), które są wymienione w lewym indeksie dolnym symbolu, z zastrzeżeniem, że liczba atomowa jest interpretowana jako całkowity ładunek hiperjądra , w tym naładowane hiperony, takie jak xi minus (Ξ − ), a także protony. Na przykład hiperjądro
16 Λ O
zawiera 8 protonów, 7 neutronów i jedno Λ (które nie ma ładunku).

Historia

Pierwszy został odkryty przez Mariana Danysza i Jerzego Pniewskiego w 1952 roku przy użyciu płytki emulsji jądrowej wystawionej na działanie promieni kosmicznych , w oparciu o ich energetyczny, ale opóźniony rozpad. Wywnioskowano, że to zdarzenie było spowodowane fragmentem jądrowym zawierającym barion Λ. Eksperymenty do lat 70. XX wieku kontynuowano w celu badania hiperjąder wytwarzanych w emulsjach przy użyciu promieni kosmicznych, a później przy użyciu pionów (π) i kaonów (K) z akceleratorów cząstek .

Od lat 80-tych bardziej wydajne metody produkcji wykorzystujące wiązki pionów i kaonów umożliwiły dalsze badania w różnych ośrodkach akceleratorowych, w tym w CERN , Brookhaven National Laboratory , KEK , DAφNE i JPARC . W 2010 roku z ciężkimi jonami , takie jak ALICE i STAR , po raz pierwszy umożliwiły produkcję i pomiar lekkich hiperjąder powstałych w wyniku hadronizacji z plazmy kwarkowo-gluonowej .

Nieruchomości

Fizyka hiperjądrowa różni się od fizyki normalnych jąder, ponieważ hiperon różni się od spinu czterech nukleonów (fizyka) i izospinu . Oznacza to, że pojedynczy hiperon nie jest ograniczony zasadą wykluczenia Pauliego i może spaść do najniższego poziomu energii. W związku z tym hiperjądra są często mniejsze i ściślej związane niż normalne jądra; na przykład hiperjądro litu
7 Λ Li
jest o 19% mniejsze niż normalne jądro 6 Li. Jednak hiperony mogą rozpadać się pod wpływem oddziaływania słabego ; średni czas życia wolnego Λ wynosi 263 ± 2 ps , a hiperjądra Λ jest zwykle nieco krótszy.

Uogólniony wzór na masę został opracowany zarówno dla niedziwnych normalnych jąder, jak i dziwnych hiperjąder, które mogą oszacować masy hiperonów zawierających hiperon (y) Λ, ΛΛ, Σ i Ξ. Przewiduje się linie kroplowe neutronów i protonów dla hiperjąder i sugeruje się istnienie niektórych egzotycznych hiperjąder poza normalnymi liniami kroplowania neutronów i protonów. Ten uogólniony wzór na masę został nazwany „formułą Samanty” przez Botvinę i Pochodzallę i był używany do przewidywania względnych wydajności hiperjąder w zderzeniach ciężkich jonów.

typy

Λ hiperjądra

Najprostszy i najlepiej poznany typ hiperjądra obejmuje tylko najlżejszy hiperon, Λ.

Podczas gdy dwa nukleony mogą oddziaływać za pośrednictwem siły jądrowej , w której pośredniczy wirtualny pion, Λ staje się barionem Σ po wyemitowaniu pionu, więc w oddziaływaniu Λ-nukleon pośredniczą wyłącznie bardziej masywne mezony, takie jak mezony η i ω , lub przez jednoczesna wymiana dwóch lub więcej mezonów. Oznacza to, że oddziaływanie Λ – nukleon jest słabsze i ma mniejszy zasięg niż standardowa siła jądrowa, a studnia potencjału Λ w jądrze jest płytsza niż studnia nukleonu; w hiperjądrach głębokość potencjału Λ wynosi około 30 MeV . Jednak wymiana jednego pionu w interakcji Λ-nukleon powoduje kwantowo-mechaniczne mieszanie barionów Λ i Σ w hiperjądrach (co nie ma miejsca w wolnej przestrzeni), zwłaszcza w hiperjądrach bogatych w neutrony. Ponadto oczekuje się, że siła trzech ciał między Λ a dwoma nukleonami będzie ważniejsza niż oddziaływanie trzech ciał w jądrach, ponieważ Λ może wymieniać dwa piony z wirtualnym półproduktem Σ, podczas gdy równoważny proces w nukleonach wymaga stosunkowo ciężki barion delta (Δ) pośredni.

0 Podobnie jak wszystkie hiperony, hiperjądra Λ mogą rozpadać się w wyniku oddziaływania słabego , które zmienia je w lżejszy barion i emituje mezon lub parę lepton -antylepton. W wolnej przestrzeni Λ zwykle rozpada się pod wpływem oddziaływania słabego na proton i π – mezon lub neutron i π , z całkowitym okresem półtrwania 263 ± 2 ps . Nukleon w hiperjądrze może spowodować rozpad Λ poprzez oddziaływanie słabe bez emitowania pionu; proces ten staje się dominujący w ciężkich hiperjądrach z powodu tłumienia trybu rozpadu emitującego piony. Okres półtrwania Λ w hiperjądrze jest znacznie krótszy, osiągając plateau do około 215 ± 14 ps w pobliżu
56 Λ Fe
, ale niektóre pomiary empiryczne zasadniczo nie zgadzają się ze sobą lub z przewidywaniami teoretycznymi.

hipertryton

Najprostszym hiperjądrem jest hipertryton (
3 Λ H
), który składa się z jednego protonu, jednego neutronu i jednego hiperonu Λ. Λ w tym układzie jest bardzo luźno związana, ma energię separacji 130 keV i duży promień 10,6 fm , w porównaniu do około 2,13 fm dla deuteronu .

To luźne wiązanie oznaczałoby czas życia podobny do wolnego Λ. Jednak zmierzony czas życia hipertrytonu uśredniony we wszystkich eksperymentach (około 206
+ 15-13 ps ) jest znacznie krótszy niż przewidywano w teorii, ponieważ oczekuje się, że tryb rozpadu niemezonowego będzie stosunkowo niewielki; niektóre wyniki eksperymentalne są znacznie krótsze lub dłuższe niż ta średnia.

Σ hiperjądra

Istnienie hiperjąder zawierających barion Σ jest mniej jasne. Kilka eksperymentów przeprowadzonych na początku lat 80. zgłosiło związane stany hiperjądrowe powyżej energii separacji Λ i przypuszczalnie zawierało jeden z nieco cięższych barionów Σ, ale eksperymenty przeprowadzone później w ciągu dekady wykluczyły istnienie takich stanów. Wynika z egzotycznych atomów zawierających Σ − związany z jądrem siłą elektromagnetyczną odkryli odpychającą netto interakcję Σ-nukleon w średnich i dużych hiperjądrach, co oznacza, że ​​w takim zakresie mas nie istnieją żadne hiperjądra Σ. Jednak eksperyment przeprowadzony w 1998 roku definitywnie zaobserwował lekkie hiperjądro Σ
4 Σ He
.

Hiperjądra ΛΛ i Ξ

Wykonano hiperjądra zawierające dwa bariony Λ. Jednak takie hiperjądra są znacznie trudniejsze do wytworzenia, ponieważ zawierają dwa dziwne kwarki, a od 2016 r. Zaobserwowano tylko siedem kandydujących hiperjąder ΛΛ. Podobnie jak interakcja Λ – nukleon, modele empiryczne i teoretyczne przewidują, że interakcja Λ – Λ jest umiarkowanie atrakcyjna.

Znane są hiperjądra zawierające barion Ξ. Badania empiryczne i modele teoretyczne wskazują, że oddziaływanie Ξ – –proton jest atrakcyjne, ale słabsze niż oddziaływanie Λ – nukleon. Podobnie jak Σ – i inne ujemnie naładowane cząstki, Ξ – może również tworzyć egzotyczny atom. Kiedy Ξ – jest związane w egzotycznym atomie lub hiperjądrze, szybko rozpada się na hiperjądro ΛΛ lub dwa hiperjądra Λ poprzez wymianę dziwnego kwarka na proton, który uwalnia około 29 MeV energii w wolnej przestrzeni:

Ξ - + p → Λ + Λ

hiperjądra Ω

Hiperjądra zawierające barion omega (Ω) przewidziano za pomocą sieci QCD w 2018 r .; w szczególności oczekuje się, że dibariony proton – Ω i Ω – Ω (układy związane zawierające dwa bariony) będą stabilne. Od 2022 r. W żadnych warunkach nie obserwowano takich hiperjąder, ale najlżejsze takie gatunki można było wytworzyć w zderzeniach ciężkich jonów, a pomiary przeprowadzone w eksperymencie STAR są zgodne z istnieniem dibarionu proton-Ω.

Hiperjądra o większej dziwności

Ponieważ Λ jest elektrycznie obojętne, a jego oddziaływania sił jądrowych są atrakcyjne, przewiduje się, że istnieją arbitralnie duże hiperjądra o dużej dziwności i małym ładunku netto, w tym gatunki bez nukleonów. Energia wiązania na barion w wielodziwnych hiperjądrach może osiągnąć w pewnych warunkach do 21 MeV/ A , w porównaniu do 8,80 MeV/ A dla zwykłego jądra 62 Ni . Dodatkowo tworzenie się barionów Ξ powinno szybko stać się energetycznie korzystne, w przeciwieństwie do sytuacji, gdy nie ma Λ, ponieważ wymiana obcości z nukleonem byłaby niemożliwa ze względu na zasadę wykluczenia Pauliego.

Produkcja

Opracowano kilka sposobów produkcji w celu wytworzenia hiperjąder poprzez bombardowanie normalnych jąder.

Wymiana i produkcja obcości

Jedna metoda wytwarzania mezonu K − polega na zamianie kwarku dziwnego na nukleon i zamianie go na Λ:

p + K. - → Λ + π 0
n + K. - → Λ + π -

Przekrój poprzeczny do tworzenia hiperjądra jest maksymalizowany, gdy pęd wiązki kaonu wynosi około 500 MeV/ c . Istnieje kilka wariantów tego układu, w tym takie, w których kaony incydentu są albo zatrzymywane przed zderzeniem z jądrem.

W rzadkich przypadkach nadchodzący K - może zamiast tego wytworzyć hiperjądro Ξ poprzez reakcję:

p + K. - → Ξ - + K. +

Równoważna reakcja wytwarzania dziwności polega na tym, że mezon π + reaguje z neutronem, zmieniając go na Λ:

n + π + → Λ + K. +

Ta reakcja ma maksymalny przekrój poprzeczny przy pędzie wiązki 1,05 GeV/ c i jest najbardziej wydajną drogą produkcji hiperjąder Λ, ale wymaga większych celów niż metody wymiany dziwności.

Elastyczne rozpraszanie

Rozpraszanie elektronów na protonie może zmienić go na Λ i wytworzyć K + :

p + mi - → Λ + mi - ′ + K. +

gdzie pierwszy symbol oznacza rozproszony elektron. Energię wiązki elektronów można łatwiej dostroić niż wiązki pionów lub kaonów, co ułatwia pomiar i kalibrację poziomów energii hiperjądrowej. Metoda ta, początkowo przewidziana teoretycznie w latach 80., została po raz pierwszy zastosowana eksperymentalnie na początku XXI wieku.

Zdobycie Hyperona

Wychwycenie Ξ - barionu przez jądro może spowodować powstanie Ξ - egzotycznego atomu lub hiperjądra. Po schwytaniu zmienia się w hiperjądro ΛΛ lub dwa hiperjądra Λ. Wadą jest to, że Ξ − barion jest trudniejszy do przekształcenia w wiązkę niż pojedynczo dziwne hadrony. Jednak eksperyment w J-PARC rozpoczęty w 2020 r. Zbierze dane dotyczące hiperjąder Ξ i ΛΛ przy użyciu podobnej konfiguracji bez wiązki, w której rozproszone Ξ - bariony padają na tarczę emulsyjną.

Zderzenia ciężkich jonów

Podobne gatunki

Jądra kaonowe

Mezon K może krążyć wokół jądra w egzotycznym atomie, takim jak kaonowy wodór . Chociaż oddziaływanie silne K – proton w wodorze kaonowym jest odpychające, oddziaływanie K – jądro jest atrakcyjne dla większych układów, więc mezon ten może wejść w stan silnie związany blisko spokrewniony z hiperjądrem; w szczególności układ K – – proton – proton jest eksperymentalnie znany i ściślej związany niż normalne jądro.

Zaczarowane hiperjądra

Jądra zawierające kwark powabny są przewidywane teoretycznie od 1977 roku i są opisywane jako hiperjądra zaczarowane pomimo możliwego braku kwarków dziwnych. W szczególności przewiduje się, że najlżejsze zaczarowane bariony, bariony Λ c i Σ c , istnieją w stanach związanych w zaczarowanych hiperjądrach i mogą powstać w procesach analogicznych do tych stosowanych do wytwarzania hiperjąder. Przewiduje się , że głębokość potencjału Λ c w materii jądrowej wyniesie 58 MeV, ale w przeciwieństwie do hiperjąder Λ, większe hiperjądra zawierające dodatnio naładowane Λ c byłby mniej stabilny niż odpowiadające mu hiperjądra Λ z powodu odpychania Coulomba . Różnica masy między Λ c a
Σ
+ c jest zbyt duża, aby doszło do zauważalnego mieszania tych barionów w hiperjądrach. Słabe rozpady zaczarowanych hiperjąder mają silne relatywistyczne w porównaniu do zwykłych hiperjąder, ponieważ energia uwalniana w procesie rozpadu jest porównywalna z masą barionu Λ.

Zobacz też

  • Strangelet , hipotetyczna forma materii, która zawiera również dziwne kwarki

Notatki

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Hypernucleus&oldid=1138591167 ”