Hiperon: definicija, lastnosti, razpad in vloga čudnih kvarkov

Hiperoni so delci, ki so sestavljeni iz kvarkov. Od drugih barionov (delcev iz treh kvarkov) se razlikujejo po tem, da morajo imeti vsaj en čudni kvark, ne smejo pa imeti kvarkov šarma ali spodnjih kvarkov. Čudni kvarki nosijo kvantno število, ki se imenuje čudnost (S). Ker je čudnost ohranjena pri interakcijah, ki jih povzroča močna sila, hiperoni v svojih osnovnih (najnižjih) stanjih ne razpadejo po močni ali elektromagnetni interakciji, temveč zaradi počasnejše šibke sile. Ker so vsi kvarki fermioni (to pomeni, da veljajo izključitvena pravila, tako da se dva ne moreta nahajati v isti točki v prostoru v istem trenutku), ima vsak kvark spin 1/2. Hiperon kot celota je lahko s skupnim spinom 1/2 (osnovna “okteta”) ali 3/2 (vzburjena “dekupleta”). Vzburjeni hiperoni s spinom 3/2 običajno hitro razpadejo v stanja s spinom 1/2 prek močnih ali elektromagnetnih prehodov, pri čemer se čudnost ohranja.

Vrste hiperonskih družin in čudnost

Hiperoni so razvrščeni glede na število čudnih kvarkov in s tem čudnost S:

• Λ (Lambda): vsebuje en čudni kvark (S = −1), tipična vsebina kvarkov uds; električni naboj je 0 (Λ⁰).
• Σ (Sigma): tudi S = −1, različice Σ⁺ (uus), Σ⁰ (uds) in Σ⁻ (dds) z različnimi naboji.
• Ξ (Kaskada): vsebuje dva čudna kvarka (S = −2); različici Ξ⁰ (uss) in Ξ⁻ (dss).
• Ω⁻ (Omega): vsebuje tri čudne kvarke (S = −3), torej sss; zaradi ohranitve čudnosti ne more razpasti po močni sili in razpada šibko.

V praksi se ime “hiperon” uporablja za barione z čudnimi kvarki (brez šarma ali dna). Obstajajo sicer tudi barioni s šarmom ali dnom, vendar jih praviloma uvrščamo med “težke barione”, ne med klasične hiperone.

Nastanek in razpadi

Hiperoni nastajajo v trkih delcev z dovolj visoko energijo prek močnih interakcij, pogosto v takojšnji pridruženi produkciji, kjer nastaneta delec in antidelec, ki skupaj ohranjata čudnost. Ker močna in elektromagnetna interakcija čudnost ohranjata, hiperoni v osnovnih stanjih razpadajo pretežno po šibke sile, zato imajo opazno daljše življenjske dobe (tipično okrog 10⁻¹⁰ s) kot delci, ki razpadejo močno.

Obstaja na desetine različnih kombinacij hiperonov. Hiperon Λ (lambda) ima na primer naboj 0 in ga pogosto zapišemo kot Λ0. Ko razpade, običajno nastane en proton in en antipion (najpogosteje pion z negativnim nabojem). Kot pri mnogih oblikah razpada šibke sile je možnih več izidov. Λ0 ima tudi bistveno manjšo, vendar še vedno možno možnost, da razpade na nevtron in nenabit pion. Hiperoni Λ0 imajo povprečno življenjsko dobo približno 2,6×10⁻¹⁰ sekund, kar jih uvršča med najdlje živeče hiperone.

• Primeri drugih razpadov: Σ⁺ pogosto razpade v n π⁺ ali p π⁰; Σ⁻ v n π⁻; Ξ⁻ v Λ π⁻ (nakar Λ razpade v p π⁻); Ω⁻ v Λ K⁻ ali Ξ π. Vsi ti so šibki razpadi, ki ne ohranijo čudnosti, zato so počasnejši.
• Hitri prehodi: nekateri hiperoni v vzbujenih stanjih razpadejo zelo hitro po močni ali elektromagnetni sili, npr. Σ(1385) → Λ π (močni razpad) ali Σ⁰ → Λ γ (elektromagnetni razpad).

Pri razpadih šibke sile se pojavljajo značilni vzorci, kot so asimetrije v kotnih porazdelitvah končnih delcev in kršitve paritete, kar omogoča natančna testiranja šibke interakcije.

Spin, simetrije in kvarkovni model

• Spin: ker imajo kvarki spin 1/2, nastanejo v barionih kombinacije s skupnim spinom 1/2 (okteta) ali 3/2 (dekupleta). To vpliva na magnetne momente, razpade in vzbujene spektralne črte.
• Flavor SU(3): hiperoni so bili osrednji pri razvoju “Osemkratne poti” (SU(3) okusne simetrije) in kvarkovnega modela, ki pojasni vzorce mas in razpadov znotraj družin Λ, Σ, Ξ in Ω.
• Strukturne lastnosti: merjenja mas, življenjskih dob in razmerij razvejitev razpadov preizkušajo naše razumevanje močne interakcije (QCD) pri nizkih energijah, vključno z vlogo kvarkov s in hadronskih resonanc.

Zakaj so hiperoni pomembni?

• Testi temeljnih simetrij: hiperoni so občutljivi na morebitno kršitev CP; primerjava razpadov delcev in antidlcev lahko razkrije majhne asimetrije, ki dopolnjujejo raziskave v nevtrinskem in mezonskem sektorju.
• Jedrska fizika: z vezavo hiperona v jedro nastanejo hiperjedra, s katerimi preučujemo interakcije hiperon–nukleon in jedrsko strukturo.
• Astrofizika: pri ekstremnih gostotah, kot so v nevtronskih zvezdah, se lahko pojavijo hiperoni in spremenijo enačbo stanja goste snovi (t. i. “hiperonska uganka”).
• Proizvodnja čudnosti: merjenja hiperonskih tokov v trkih težkih ionov razkrivajo, kako se čudni kvarki tvorijo in “zamrznejo” v hadrone pri prehodu iz kvark-gluonske plazme.

Znanstveniki še vedno preučujejo hiperone v laboratorijih po vsem svetu, kot so CERN, Fermilab in SLAC. Hiperoni dajejo odgovore na vprašanja o problemih, kot je kršitev CP, pri kateri simetrije, ki so veljale za resnične, morda niso resnične. Na teh pospeševalnikih hiperone proizvajajo v trkih proton–proton, proton–jedro in jedro–jedro ter z namensko fiziko žarkov; analizirajo se njihove razpadne poti, kotne asimetrije in razlike med delci in antidelci. V novejšem času pomembno vlogo igrajo tudi meritve hiperjedrov in natančne določitve življenjskih dob ter mas, ki izboljšujejo modele močne interakcije in snovi pri visoki gostoti.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj so hiperoni?

V: Kaj je čudnost?

V: Koliko različnih vrst kombinacij hiperonov obstaja?

V: Kakšen je primer kombinacije hiperonov?

V: Kolikšna je povprečna življenjska doba Λ0 hiperonov?

Išči po črki