Гипероны

Гипероны (от греч.(греческий) hypér — сверх, выше), тяжёлые нестабильные элементарные частицы с массой, большей массы нуклона (протона и нейтрона), обладающие барионным зарядом и большим временем жизни по сравнению с «ядерным временем» (~ 10^-23 сек). Известно несколько типов Г.: лямбда (L⁰), сигма (S^—, S⁰, S⁺), кси (X^—, X⁰), омега (W^—) [значки ^—, ⁰, ⁺ справа сверху у символа частиц означают соответственно отрицательно заряженную, нейтральную и положительно заряженную частицы]. Все Г. имеют спин ¹/₂, кроме W^—, спин которого, согласно теоретическим представлениям, должен, быть равен ³/₂ (т. е. Г. являются фермионами). Г. участвуют в сильных взаимодействиях, т. е. принадлежат к классу адронов. Время жизни Г. порядка 10^-10 сек (за исключением S⁰, который, по-видимому, имеет время жизни порядка 10^-20 сек); за это время они распадаются на нуклоны и лёгкие частицы (p-мезоны, электроны, нейтрино).

  Г. (L⁰) были открыты в космических лучах английскими физиками Рочестером и Батлером в 1947, однако убедительные доказательства существования Г. были получены к 1951. Детальное и систематическое изучение Г. стало возможным после того, как их начали получать на ускорителях заряженных частиц высокой энергии при столкновениях быстрых нуклонов, p-мезонов и К-мезонов с нуклонами атомных ядер.

  Открытие Г. существенно расширило физические представления об элементарных частицах, поскольку были впервые открыты частицы с массой, большей нуклонной, и установлена новая важнейшая характеристика элементарных частиц — странность. Введение странности понадобилось для объяснения ряда парадоксальных (с точки зрения существовавших представлений) свойств Г. Интенсивное рождение Г. при столкновении адронов высокой энергии с несомненностью свидетельствовало о том, что они обладают сильным взаимодействием. С другой стороны, если бы распад Г. вызывался сильным взаимодействием, их время жизни должно было бы составлять по порядку величины 10^-23 сек, что в 10¹³ раз (на 13 порядков) меньше установленного на опыте. Время жизни Г. можно объяснить, если считать, что их распад происходит за счёт слабого взаимодействия, относительная интенсивность которого в этой области энергий как раз на 12—14 порядков меньше сильного (а следовательно, время распада во столько же раз больше). Парадоксом казалось то, что частицы, обладающие сильным взаимодействием, не могут распадаться с помощью этого взаимодействия.

  Важное значение для разрешения этого парадокса имел тот факт, что при столкновении p-мезонов и нуклонов с нуклонами Г. всегда рождаются совместно с К-мезонами (рис. 1), в поведении которых обнаруживаются те же странности, что и у Г. Особенности поведения Г. и К-мезонов были объяснены в 1955 Гелл-Маном и Нишиджимой существованием особой характеристики адронов — странности (S), которая сохраняется в процессах сильного и электромагнитного взаимодействий. Если приписать К⁺- и К⁰-мезонам странность S = +1, а L-Г. и S-Г. — равное по величине и противоположное по знаку значение странности, S = — 1, и считать странность p-мезонов и нуклонов равной нулю, то сохранение суммарной странности частиц в сильных взаимодействиях объясняет и совместное рождение L- и S-Г. с К-мезонами, и невозможность распада частиц с неравной нулю странностью (такие частицы получили название странных частиц) с помощью сильных взаимодействий на частицы с нулевой странностью. При этом X = Г., которые рождаются совместно с двумя К-мезонами, следует приписать S = —2, а W^—-Г. — странность S = — 3. Распады Г. указывают на то, что процессы, обусловленные слабыми взаимодействиями, протекают с изменением странности. Рис. 2 иллюстрирует процессы сильного и слабого взаимодействия Г.

  Согласно современной теории элементарных частиц, каждому Г. должна соответствовать античастица, отличающаяся от своего Г. знаком электрического и барионного зарядов и странности. Все антигипероны наблюдались на опыте; последним был открыт (1971) антиомега-Г. , или W⁺ (рис. 3).

  Сильное взаимодействие Г. Помимо сохранения странности, сильные взаимодействия Г. обладают определенной симметрией, называется изотопической инвариантностью. Эта симметрия была установлена ранее для нуклонов и p-мезонов и проявляется в том, что частицы группируются в некоторые семейства — изотонические мультиплеты [(р, n) и (p^—, p⁰, p⁺), где р означает протон, а n — нейтрон]. Частицы, входящие в определенный изотопический мультиплет, одинаково участвуют в сильном взаимодействии, имеют почти равные массы и отличаются лишь электромагнитными характеристиками (электрическими зарядами, магнитными моментами). Число частиц в изотопическом мультиплете характеризуется специальным квантовым числом — изотопическим спином I и равно 2I + 1. Г. образуют 4 изотопических мультиплета (см. табл.).

  Таблица гиперонов

* В таблице не указаны распады гиперонов с испусканием лептонов; они составляют по порядку величины доли процента от основных способов распада.

  Предположение о существовании изотопических мультиплетов Г. позволило Гелл-Ману и Нишиджиме предсказать существование S⁰ и X⁰ до их экспериментального открытия.

  Г. L, S, X по ряду своих свойств аналогичны нуклонам. Эта аналогия послужила исходным пунктом в поисках симметрии сильных взаимодействий, более широкой, чем изотопическая инвариантность. Наибольший успех при этом имела т. н. унитарная симметрия (SU₃-симметрия), на основе которой была создана систематика адронов. С помощью этой симметрии удалось, например, предсказать существование и свойства W^—-Г. (см. Элементарные частицы).

  Распады Г. Основные способы распада Г. указаны в табл. Распады Г. подчиняются следующим закономерностям: 1) DS = 1 — странность изменяется по абсолютной величине на единицу: исключение составляет распад S⁰ на L⁰ и фотон, S⁰ ® L⁰ + g, протекающий за счёт электромагнитного взаимодействия (отсюда и время жизни S⁰ должно быть ~ 10^-20 сек, а не 10^-10 сек) и поэтому не сопровождающийся изменением странности. Этот закон запрещает прямой распад Õ-Г. на нуклон и p-мезоны, т.к. при таком распаде странность изменилась бы на две единицы. Распад Õ-Г. происходит в два этапа: X ® L⁰ + p; L⁰ ® N + p (где N означает нуклон). Поэтому Õ-Г. называют каскадным. Каскадные распады претерпевают также W^—-Г.

  2)DQ = DS — в распадах с испусканием лептонов изменение заряда Q адронов равно изменению странности S. Этот закон запрещает, например, распад S⁺ ® n + m⁺ + n (m⁺ — положительный мюон, n — нейтрино).

  3) DI = ¹/₂ — изотопический спин меняется на ¹/₂. Это правило позволяет объяснить соотношения между вероятностями различных наблюдаемых способов распада Г.

  При взаимодействии быстрых частиц с ядрами могут возникать гипер-ядра, в которых один или несколько нуклонов в результате сильного взаимодействия превратились в Г.

  Лит.: Гелл-Манн М., Розенбаум П. Е., Элементарные частицы, в кн.: Элементарные частицы, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1963 (Над чем думают физики, в. 2); Эдер Р. К., Фаулер Э. К., Странные частицы, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1966; Фриш Д., Торндайк А., Элементарные частицы, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1966.

  Л. Г. Ландсберг.

Рис. 1. Фотография (а) и схематическое изображение (б) случая парного рождения L°-гиперона и K°-мезона на протоне в жидководородной пузырьковой камере под действием p^—-мезона: p^— + p ®  L°  + K°. Эта реакция обусловлена сильным взаимодействием и разрешена законом сохранения странности (суммарная странность частиц в начальном и конечном состояниях одинакова и равна нулю). На снимке видны также распады L°-гиперона и K°-мезона под действием слабого взаимодействия: L° ® p + p^— , K° ® p⁺ + p^— (в каждом из этих процессов странность меняется на 1). Пунктирные линии на рис.(рисунок) б изображают пути нейтральных частиц, которые не оставляют следа в камере.

Рис. 3. Фотография (а) и схематическое изображение (б) случая рождения и распада антигиперона  (W⁺) в пузырьковой камере, наполненной жидким дейтерием и находящейся в магнитном поле. Антигиперон , имеющий положительный электрический заряд и странность S = +3, рождается (в точке 1) при столкновении K⁺-мезона (с энергией 12 Гэв) с ядром дейтерия в реакции K⁺ + d ®  + L° + L° + p + p⁺ + p^-. Согласно законам сохранения барионного заряда В и (в сильном взаимодействии) странности S, рождение антибариона  (В = -1) на дейтроне (В = +2) сопровождается рождением трёх барионов: L°, L°, р (странность системы в начальном состоянии определяется странностью K⁺ и равна S = +1). Распады образовавшихся частиц происходят в результате слабого взаимодействия с изменением странности на 1. Один из возникших L° распадается (в точке 2) на р и p^-, а другой L° выходит из камеры, не успев распасться (однако его наличие подтверждается законом сохранения энергии и импульса); антигиперон  распадается (в точке 3) на антилямбда-гиперон  и K⁺;  распадается (в точке 4) на антипротон  и p⁺,  (в точке 5) аннигилирует с протоном, образуя несколько p-мезонов.

Рис. 2. Фотография (а) и схематическое изображение (б) случая рождения и распада W^—-гиперона в пузырьковой камере, наполненной жидким водородом. Гиперон W^— рождается (в точке 1) при столкновении K^— -мезона с протоном в реакции K^— + p ®  W^— + K⁺ + K°, которая обусловлена сильным взаимодействием и разрешена законом сохранения странности S (в начальном и конечном состояниях S = -1). Распады образовавшихся частиц происходят в результате слабого взаимодействия с изменением странности на 1: W^— ® X° + p^- (в точке 2); X° ® L° + p° (в точке 3), причём p°, имеющий малое время жизни, распадается практически в той же точке 3 на два g-kванта, p° ® g₁ + g₂, которые рождают электронно-позитронные пары e⁺, e^–; L° ® p + p^- (в точке 4). Треки частиц искривлены, так как камера находится в магнитном поле.