Hiperoni — definīcija: dīvainie kvarku barioni, īpašības un sabrukšana

Hiperoni — definīcija: atklāj dīvaino kvarku lomu, īpašības, spins un vājā spēka sabrukšanas ceļus. Uzzini hiperonu tipus, dzīves ilgumu un nozīmi CERN pētījumos.

Hiperoni ir daļiņas, kas sastāv no kvarkiem un pieder barionu klasei (trīs kvarku sistēmas). Tie atšķiras no citiem barioniem ar to, ka tiem jābūt vismaz vienam dīvainajam kvarkam, bet nav šarma kvarkiem vai apakšējiem kvarkiem. Dīvainajam kvarkam piešķiramo īpašību sauc par dīvainību (strangeness). Svarīgi saprast, ka dīvainība tiek saglabāta spēcīgajās un elektromagnētiskajās mijiedarbībās, tādēļ daudzos gadījumos dīvainie kvarki un tiem piesaistītie hiperoni nevar sadalīties ar spēcīgo spēku, bet tikai ar daudz lēnāko vājā spēka spēku. Tāpēc daži hiperoni ir salīdzinoši ilgi dzīvojoši salīdzinājumā ar citiem reakcijas produktiem.

Veidi un klasifikācija

Hiperonu klāstā ir vairāki labi zināmi tipi. Tie parasti tiek iedalīti pēc kvarku sastāva un kopējā spina:

• Λ (lambda) — viens dīvainais kvarks kopā ar ūdeņraža (up) un leju (down) kvarkiem; daudzkārt atrodams kā neitrāls Λ0 (lambda)).
• Σ (sigma) — satur vienu dīvainu kvarku un divus vieglos kvarkus; var būt ar pozitīvu, neitrālu vai negatīvu lādiņu.
• Ξ (ksi vai "kaskāde") — satur divus dīvainos kvarkus; saukts arī par kaskādes hiperoniem.
• Ω (omega) — satur trīs dīvainos kvarkus (sss); klasisks piemērs ir Ω–, kas parāda, ka hiperoni var saturēt vairāk nekā vienu dīvaino kvarku.

Kvarku spinu dēļ barioniem iespējami dažādi kopējā spina stāvokļi: tā sauktajā barionu oktetā dominē spin-1/2 stāvokļi, bet barionu dektektā — spin-3/2 stāvokļi. Tas nozīmē, ka ne visi hiperoni ir ar spin 3/2 — daudzi (tai skaitā Λ0) ir spin 1/2.

Spins un kvarku uzvedība

Visi kvarki ir fermioni ar spinu 1/2, tomēr trīs kvarku sistēmā to spini var kombinēties dažādos veidos, radot barionus ar kopējo spinu 1/2 vai 3/2. Kvarka spini, krāsu un orbitālās viļņu funkcijas kopā nosaka konkreta hiperona īpašības.

Sabrukšana un mijiedarbības

Dīvainības saglabāšanās spēcīgajās mijiedarbībās nozīmē, ka daudzi hiperoni sabrūk galvenokārt vājā spēka dēļ. Vājais spēks ļauj mainīt kvarku tipu (piemēram, dīvainu kvarku pārvērst par vieglu kvarku), tādēļ vājā sabrukšana ir biežākais hiperonu izzušanas ceļš. Sabrukšana var notikt vairākos iespējamos kanālos, un parasti eksperimentā tiek mērīta sadalīšanās varbūtība (branching ratio) un dzīves ilgums.

• Λ0 (lambda) — visizplatītākais sadalīšanās kanāls ir Λ0 → p + π– (protons + negatīvs pions), citas iespējas ir Λ0 → n + π0 (neitrons + neitrāls pions). Vidējais Λ0 dzīves laiks ir aptuveni 2,6×10–10 sekundes, kas padara to par vienu no visilgāk dzīvojošajiem hiperoniem.
• Augstāka masas eksitētie hiperoni var sadalīties arī ar spēcīgo spēku, ja tas neizmaina dīvainības kopējo daudzumu (piemēram, pārvērsties par zemākas masas hiperonu + mezonu kombināciju), bet pamatā pamata stāvokļa hiperoni sabrūk vāji.

Ražošana un pētījumi laboratorijās

Hiperonus ražo un pēta daudzas pasaules laboratorijas — piemēram, CERN, Fermilab un SLAC —, izmantojot augstas enerģijas staru sadursmes vai mezonūdeņu starus. Eksperimentos mēra hiperonu masas, dzīves ilgumus, sadalīšanās kanālus, polarizāciju un ražošanas šķērsgriezumus. Šie mērījumi palīdz pārbaudīt kvarku modeļus, spēcīgās mijiedarbības teorijas (kvantu hromodinamiku) un testēt fundamentālas simetrijas.

Kāpēc hiperoni ir svarīgi

Hiperoni ir nozīmīgi vairāku iemeslu dēļ:

• Pētījumi par simetrijām un to pārkāpumiem: hiperonu vāju sabrukšana var sniegt informāciju par CP simetrijas pārkāpumu un citiem smalkiem efektiem.
• Izpratne par spēcīgajām mijiedarbībām: dati par hiperoniem palīdz attīstīt un pārbaudīt kvantu hromodinamikas modeļus un hadronu struktūru.
• Astrofizikas saistība: dīvainības un hiperonu uzvedība var ietekmēt augstas blīvuma vielas īpašības, piemēram, neitronzvaigžņu iekšējo struktūru.
• Hiperonu polarizācija un sabrukšanas asimetrijas ir izmantotas, lai izpētītu elementāru mijiedarbību nianses un iespējamus jaunas fizikas signālus.

Zinātnieki turpina pētīt hiperonus, lai precizētu to īpašības un saprastu to lomu lielākos fizikas jautājumos — no hadronu struktūras līdz fundamentālajām simetrijām un to iespējamajiem pārkāpumiem eksperimentālajā dabā.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir hiperoni?

J: Kas ir dīvainība?

Jautājums: Cik daudz dažādu hiperonu kombināciju veidu pastāv?

J: Kāds ir hiperonu kombinācijas piemērs?

J: Kāds ir Λ0 hiperonu vidējais dzīves ilgums?

Meklēt pēc burta