Hyperóny: definícia, kvarky, vlastnosti, typy a rozpad

Hyperóny: definícia, kvarky, typy, vlastnosti a rozpad — objavte podivnosť, životnosť Λ0, rozpadové kanály a výskum v CERN, Fermilab a SLAC.

Hyperóny sú častice, ktoré sa skladajú z kvarkov. Od ostatných baryónov (častíc zložených z troch kvarkov) sa najčastejšie odlišujú tým, že obsahujú aspoň jeden podivný kvark (strange, s), pričom v tradičnom význame pojmu hyperón sa nepočítajú baryóny obsahujúce charm kvark alebo spodný kvark (bottom). Podivné kvarky nesú kvantové číslo nazývané podivnosť (strangeness), ktoré ovplyvňuje spôsoby ich rozpadu.

Vlastnosti

Podivné kvarky sa nedokážu rozpadať prostredníctvom silnej sily bez porušenia zachovania podivnosti, preto sa ich rozpady zvyčajne dejú prostredníctvom slabej sily. To vedie k relatívne dlhým životnostiam hyperónov v porovnaní s rezonančnými stavmi, ktoré sa rozpadajú silnou interakciou. Typické stredné doby života hyperónov sú v rozmedzí približne 10^-10 až 10^-11 sekundy (presné hodnoty závisia od konkrétneho druhu).

Všetky kvarky sú fermóny — majú spin 1/2 — ale zložení trojice kvarkov v hyperóne môže viesť k rôznym celkovým spinom baryónu. Baryónna multipleta rozlišuje stavy s celkovým spinom 1/2 (tzv. oktet) a stavy s celkovým spinom 3/2 (tzv. dekuplet). Preto hyperóny môžu mať celkový spin 1/2 alebo 3/2; nie je pravda, že každý hyperón má automaticky spin 3/2. Niektoré stavy s vyšším spinom sú rezonančné a relatívne rýchlo rozpadávajú na dlhšie žijúce častice so spinom 1/2.

Typy hyperónov a ich zloženie

• Λ (lambda, Λ0) — quarkové zloženie uds. Má náboj 0 a je jedným z najznámejších hyperónov.
• Σ (sigma) — trojica stavov Σ+, Σ0, Σ- (zloženia: uus, uds, dds), Σ0 sa elektromagneticky rýchlo rozpadá na Λ + γ.
• Ξ (xi, "kaskáda") — Ξ0 (uss) a Ξ- (dss), obsahujú dva podivé kvarky.
• Ω- (omega) — sss, člen dekupletu so spinom 3/2; jeho objavenie bolo historicky dôležité pre overenie SU(3) flávorovej symetrie.

Tieto skupiny zodpovedajú SU(3) flávorovej symetrii: oktet baryónov so spinom 1/2 a dekuplet so spinom 3/2. Okrem základných (najstabilnejších) stavov existuje mnoho kratkožijúcich rezonančných stavov (označovaných napr. Σ*, Ξ* a pod.).

Rozpady a experimentálne znaky

Keďže podivné kvarky menia svoju povahu len prostredníctvom slabej sily, rozpady hyperónov často menia podivnosť o ±1 a sú relatívne pomalšie než silné rozpady. Typický príklad je rozpad Λ0 — pri jeho rozpade vzniká zriedkavo viac výsledných stavov; najčastejším kanálom je však vznik protónu a záporne nabitého píónu (p + π−). Λ0 má tiež výraznú (ale menšiu) branžovú pravdepodobnosť rozpadnúť sa na neutrón a neutrálneho pionu (n + π0). Hlavné rozpadové kanály Λ0 sú preto:

• Λ0 → p π− (dominantný kanál, ~64 %)
• Λ0 → n π0 (~36 %)

Priemerná životnosť Λ0 je približne 2,6 × 10^-10 s, čo z nej robí jeden z dlhšie žijúcich hyperónov. Ďalšie príklady: Ξ− má životnosť približne 1,6 × 10^-10 s, Ω− približne 0,8 × 10^-10 s (hodnoty sú orientačné a závisia na presných meraniach).

Experimentálne sa neutrálny hyperón, ktorý sa rozpadá na nabitú dvojicu, voči detektorom prejaví typicky ako „V“ tvar (tzv. V0 topológia) — sekundárny rozpadový vrchol posunutý od primárneho zrážkového bodu v dôsledku konečnej životnosti hyperónu. Toto je jednou z hlavných metód identifikácie hyperónov v sekvenčných stopových detektoroch.

Prečo sú hyperóny dôležité

Hyperóny sú cenným nástrojom na štúdium slabých interakcií v sektore baryónov, na testovanie modelov kvarkovej štruktúry a na overovanie symetrií v prírodných zákonoch. Štúdie hyperónových rozpadov môžu prispieť k hľadaniu porušení CP symetrie v baryónovom sektore — to sú prípady, keď sa symetrie, ktoré boli považované za pravdivé, zdajú byť porušené. Presné merania rozpadových asymetrií a vetvení hyperónov sú preto súčasťou programu mnohých experimentov.

Produkcia a súčasné experimenty

Hyperóny sa vyrábajú v vysokových energiách pri interakciách medzi hadrónmi alebo v elektron-pozitrónových zrážkach, rovnako aj v interakciách s kaónmi a v kozmických lúčoch. Vo výskume ich skúmajú veľké laboratóriá ako CERN, Fermilab a SLAC, ale aj ďalšie pracoviská (napr. J-PARC, BESIII, LHCb), kde sa hľadajú jemné efekty v rozpadových parametroch, merajú sa formfaktory a testujú teoretické modely silnej a slabej interakcie.

Zhrnutie

• Hyperóny sú baryóny obsahujúce podivné kvarky; ich rozpady sú väčšinou spôsobené slabou silou, čo im dáva relatívne dlhé životnosti.
• Môžu mať celkový spin 1/2 alebo 3/2 v závislosti od kvarkového usporiadania (oktet vs. dekuplet).
• Typické príklady: Λ (uds), Σ (uus/uds/dds), Ξ (uss/dss), Ω (sss).
• Štúdium hyperónov pomáha pri pochopení hadrónovej štruktúry, slabých interakcií a možného porušenia CP symetrie.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo sú to hyperóny?

Otázka: Čo je to podivnosť?

Otázka: Koľko rôznych typov kombinácií hyperónov existuje?

Otázka: Aký je príklad hyperónovej kombinácie?

Otázka: Aká je priemerná dĺžka života hyperónov Λ0?

Hľadajte podľa písmena