Гіперони
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Гіперони

Гіперони (від греч.(грецький) hypér — понад, вище), важкі нестабільні елементарні частки з масою, більшої маси нуклона (протона і нейтрона), що володіють баріонним зарядом і великим часом життя в порівнянні з «ядерним часом» (~ 10 -23 сік ). Відомо декілька типів Г.: лямбда (L 0 ), сигма (S, S 0 , S + ), кси (X, X 0 ), омега (W ) [значки , 0 , + справа зверху в символу часток означають відповідно негативно заряджену, нейтральну і позитивно заряджену частки]. Все Р. мають спин 1 / 2 , окрім W, спин якого, згідно з теоретичними виставами повинен, бути рівний 3 / 2 (тобто Р. є ферміонами ). Р. беруть участь в сильних взаємодіях, тобто належать до класу адронів. Час життя Р. порядку 10 -10 сік (за винятком S 0 , який, мабуть, має час життя порядку 10 -20 сік ); за це час вони розпадаються на нуклони і легкі частки (p-мезоні, електрони, нейтрино).

загрузка...

  Р. (L 0 ) були відкриті в космічних променях англійськими фізиками Рочестером і Батлером в 1947, проте переконливі докази існування Р. були отримані до 1951. Детальне і систематичне вивчення Р. стало можливим після того, як їх почали отримувати на прискорювачах заряджених часток високої енергії при зіткненнях швидких нуклонів, p-мезонів і до-мезонів з нуклонами атомних ядер.

  Відкриття Р. істотно розширило фізичні уявлення про елементарні частки, оскільки були вперше відкриті частки з масою, більшою нуклонною, і встановлена нова найважливіша характеристика елементарних часток — дивацтво . Введення дивацтва знадобилося для пояснення ряду парадоксальних (з точки зору існуючих вистав) властивостей Г. Інтенсивноє народження Р. при зіткненні адронів високої енергії з безсумнівністю свідчило про те, що вони володіють сильною взаємодією. З іншого боку, якби розпад Р. викликався сильною взаємодією, їх час життя повинен був би складати по порядку величини 10 -23 сік що в 10 13 раз (на 13 порядків) менше встановленого на досвіді. Час життя Р. можна пояснити, якщо вважати, що їх розпад відбувається за рахунок слабкої взаємодії, відносна інтенсивність якого в цій області енергій якраз на 12—14 порядків менше сильного (а отже, час розпаду в стільки ж раз більше). Парадоксом здавалося те, що частки, що володіють сильним взаємодією, не можуть розпадатися за допомогою цієї взаємодії.

  Важливе значення для дозволу цього парадоксу мав той факт, що при зіткненні p-мезонів і нуклонів з нуклонами Р. завжди народжуються спільно з до-мезонами ( мал. 1 ), в поведінці яких виявляються ті ж дивацтва, що і в Г. Особенності поведінка Р. і до-мезонів була пояснена в 1955 Гелл-Маном і Нішиджімой існуванням особливої характеристики адронів — дивацтву (S), яке зберігається в процесах сильної і електромагнітної взаємодій. Якщо приписати К + - і К 0 -мезонам дивацтво S = +1, а L-г. і S-г. — рівне по величині і протилежне по знаку значення дивацтва, S = — 1, і рахувати дивацтво p-мезонів і нуклонів рівної нулю, те збереження сумарної дивацтва часток в сильних взаємодіях пояснює і спільне народження L- і S-г. з до-мезонами, і неможливість розпаду часток з нерівною нулю дивацтвом (такі частки отримали назву дивних часток) за допомогою сильних взаємодій на частки з нульовим дивацтвом. При цьому X = Р., які народжуються спільно з двома до-мезонами, слід приписати S = —2, а W -Г. — дивацтво S = — 3. Розпади Р. вказують на те, що процеси, обумовлені слабкими взаємодіями, протікають із зміною дивацтву. Мал. 2 ілюструє процеси сильної і слабкої взаємодії Р.

  Згідно сучасної теорії елементарних часток, кожному Р. повинна відповідати античастка, що відрізняється від свого Р. знаком електричного і баріонного зарядів і дивацтва. Всі антигіперони спостерігалися на досвіді; останнім був відкритий (1971) антиомега-г., або W + ( мал. 3 ).

  Сильна взаємодія Г . Окрім збереження дивацтва, сильні взаємодії Р. володіють певною симетрією, називається ізотопічною інваріантністю . Ця симетрія була встановлена раніше для нуклонів і p-мезонів і виявляється в тому, що частки групуються в деякі сімейства — ізотонічні мультіплети [(р, n) і (p, p 0 , p + ), де р означає протон, а n — нейтрон]. Частки, що входять в певний ізотопічний мультиплет, однаково беруть участь в сильній взаємодії, мають майже рівні маси і відрізняються лише електромагнітними характеристиками (електричними зарядами, магнітними моментами). Число часток в ізотопічному мультиплеті характеризується спеціальним квантовим числом — ізотопічним спином I і рівне 2 I + 1. Р. утворюють 4 ізотопічних мультиплета (див. таблиці.).

  Таблиця гіперонів

 

l-гіперон (синглет)

s-гіперон (триплет)

x-гіперон (дуплет)

W-гіперон (синглет)

Склад ізотопічного мультиплета

L °

S +

S 0

S -

X 0

X -

W -

Маса, Мев

1115,6

1189,4

1192,5

1197,3

1314,7

1321,3

1672,4

Ізотонічний спин I

0

 

1

 

1/2

0

Дивацтво S

-1

 

-1

 

-2

-3

Час життя, сік

2,52·10 -10

0,80·10 -10

По теоретичних оцінках 10 -20

1,49·10 -10

3,03·10 -10

1,66·10 -10

1,3·10 -10

Основні схеми распада*

L®°{

r+p -

S + ®{

r+p 0

S 0 ®L 0 +g

S 0 ® n+p -

X 0 ®L 0 +p 0

X 0 ®L 0 +p -

W - ®{

X 0 +p -

X - +p 0

n+p 0

n+p +

L 0 +K -

* У таблиці не вказані розпади гіперонів з випусканням лептонів; вони складають по порядку величини долі відсотка від основних способів розпаду.

  Припущення про існування ізотопічних мультіплетов Р. дозволило Гелл-Ману і Нішиджіме передбачити існування S 0 і X 0 до їх експериментального відкриття.

  Р. L, S, X по ряду своїх властивостей аналогічні нуклонам. Ця аналогія послужила вихідним пунктом у пошуках симетрії сильних взаємодій, ширшої, ніж ізотопічна інваріантність. Найбільший успіх при цьому мала т.з. унітарна симетрія (Su 3 -симметрія), на основі якої була створена систематика адронів. За допомогою цієї симетрії удалося, наприклад, передбачити існування і властивості W -Г. (див. Елементарні частки ).

  Розпади Г . Основні способи розпаду Р. вказані в таблиці. Розпади Р. підкоряються наступним закономірностям: 1) DS = 1 — дивацтво змінюється по абсолютній величині на одиницю: виняток становить розпад S 0 на L 0 і фотон, S 0 ® L 0 + g , що протікає за рахунок електромагнітної взаємодії (звідси і час життя S 0 має бути ~ 10 -20 сік , а не 10 -10 сік ) і тому не супроводиться зміною дивацтву. Цей закон забороняє прямий розпад Õ-Г. на нуклон і p-мезоні т.к. при такому розпаді дивацтво змінилося б на дві одиниці. Розпад Õ-Г. відбувається в два етапи: X ® L 0 + p; L 0 ® N + p (де N означає нуклон). Тому Õ-Г. називають каскадним. Каскадні розпади зазнають також W -Г.

  2)DQ = DS — в розпадах з випусканням лептонів зміна заряду Q адронів дорівнює зміні дивацтва S . Цей закон забороняє, наприклад, розпад S + ® n + m + + n (m + — позитивний мюон, n — нейтрино).

  3) D I = 1 / 2 — ізотопічний спин міняється на 1 / 2 . Це правило дозволяє пояснити співвідношення між вірогідністю різних спостережуваних способів розпаду Р.

  При взаємодії швидких часток з ядрами можуть виникати гіпер-ядра, в яких один або декілька нуклонів в результаті сильної взаємодії перетворилися на Р.

  Літ.: Гелл-манн М., Розенбаум П. Е., Елементарні частки, в кн.: Елементарні частки, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1963 (Над чим думають фізики, ст 2); Едер Р. До., Фаулер Е. До., Дивні частки, пер.(переведення) з англ.(англійський), М. 1966; Фріш Д., Торндайк А., Елементарні частки, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1966.

  Л . Г . Ландсберг .

Мал. 1. Фотографія (а) і схематичне зображення (б) випадку парного народження L°-гиперона і K°-мезона на протоні в жідководородной бульбашковій камері під дією p -мезона: p + p ®  L°  + K°. Ця реакція обумовлена сильною взаємодією і дозволена законом збереження дивацтва (сумарне дивацтво часток в початковому і кінцевому станах однакове і дорівнює нулю). На знімку видно також розпади L°-гиперона і K°-мезона під дією слабкої взаємодії: L° ® p + p, K° ® p + + p (у кожному з цих процесів дивацтво міняється на 1). Пунктирні лінії на мал.(малюнок) би змальовують дороги нейтральних часток, які не залишають сліду в камері.

Мал. 3. Фотографія (а) і схематичне зображення (б) випадку народження і розпаду антигіперона  (W + ) в бульбашковій камері, наповненій рідким дейтерієм і що знаходиться в магнітному полі. Антигіперон, що має позитивний електричний заряд і дивацтво S = +3, народжується (у крапці 1) при зіткненні K + -мезона (з енергією 12 Гев ) з ядром дейтерію в реакції K + + d ®  + L° + L° + p + p + + p - . Згідно із законами збереження баріонного заряду В і (у сильній взаємодії) дивацтва S, народження антибаріону  (У = -1) на дейтроні (У = +2) супроводиться народженням трьох баріонів: L°, L°, р (дивацтво системи в початковому стані визначається дивацтвом K + і рівна S = +1). Розпади часток, що утворилися, відбуваються в результаті слабкої взаємодії із зміною дивацтву на 1. Один з виниклих L° розпадається (у крапці 2) на р і p - , а інший L° виходить з камери, не встигнувши розпастися (проте його наявність підтверджується законом збереження енергії і імпульсу); антигіперон  розпадається (у крапці 3) на антилямбда-гіперон  і K + ;  розпадається (у крапці 4) на антипротон  і p + ,  (у крапці 5) анігілює з протоном, утворюючи декілька p-мезонів.

Мал. 2. Фотографія (а) і схематичне зображення (б) випадку народження і розпаду W -гиперона в бульбашковій камері, наповненій рідким воднем. Гіперон W народжується (у крапці 1) при зіткненні K -мезона з протоном в реакції K + p ®  W + K + + K°, яка обумовлена сильною взаємодією і дозволена законом збереження дивацтва S (у початковому і кінцевому станах S = -1). Розпади часток, що утворилися, відбуваються в результаті слабкої взаємодії із зміною дивацтву на 1: W ® X° + p - (у крапці 2); X° ® L° + p° (у крапці 3), причому p°, що має малий час життя, розпадається практично в тій же крапці 3 на два g-кванті, p° ® g 1 + g 2 , які народжують електронно-позитронні пари e + , e ; L° ® p + p - (у крапці 4). Треки часток викривлені, оскільки камера знаходиться в магнітному полі.