Гипероны

Гиперо́ны

(от греч. hypér — сверх, выше)

тяжёлые нестабильные Элементарные частицы с массой, большей массы нуклона (протона и нейтрона), обладающие барионным зарядом (См. Барионный заряд) и большим временем жизни по сравнению с «ядерным временем» (~ 10^-23 сек). Известно несколько типов Г.: лямбда (Λ⁰), сигма (Σ^—, Σ⁰, Σ⁺), кси (Ξ^—, Ξ⁰), омега (Ω^—) [значки ^—, ⁰, ⁺ справа сверху у символа частиц означают соответственно отрицательно заряженную, нейтральную и положительно заряженную частицы]. Все Г. имеют спин ¹/₂, кроме Ω^—, спин которого, согласно теоретическим представлениям, должен, быть равен ³/₂ (т. е. Г. являются Фермионами). Г. участвуют в сильных взаимодействиях (См. Сильные взаимодействия), т. е. принадлежат к классу адронов. Время жизни Г. порядка 10^-10 сек (за исключением Σ⁰, который, по-видимому, имеет время жизни порядка 10^-20 сек); за это время они распадаются на нуклоны и лёгкие частицы (π-мезоны, электроны, нейтрино).

Г. (Λ⁰) были открыты в космических лучах (См. Космические лучи) 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 (См. Ускорители заряженных частиц) высокой энергии при столкновениях быстрых нуклонов, π-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 (См. Слабые 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 π-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 (См. Нишиджима) существованием особой характеристики адронов — странности (S), которая сохраняется в процессах сильного и электромагнитного взаимодействий. Если приписать К⁺- и К⁰-мезонам странность S = +1, а Λ-Г. и Σ-Г. — равное по величине и противоположное по знаку значение странности, S = — 1, и считать странность π-мезонов и нуклонов равной нулю, то сохранение суммарной странности частиц в сильных взаимодействиях объясняет и совместное рождение Λ- и Σ-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 Ξ = Г., которые рождаются совместно с двумя К-мезонами, следует приписать S = —2, а Ω^—-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 (См. Античастицы), отличающаяся от своего Г. знаком электрического и барионного зарядов и странности. Все антигипероны наблюдались на опыте; последним был открыт (1971) антиомега-Г. , или Ω⁺ (рис. 3).

Сильное взаимодействие Г. Помимо сохранения странности, сильные взаимодействия Г. обладают определенной симметрией, называется изотопической инвариантностью (См. Изотопическая инвариантность). Эта симметрия была установлена ранее для нуклонов и π-мезонов и проявляется в том, что частицы группируются в некоторые семейства — изотонические мультиплеты [(р, n) и (π^—, π⁰, π⁺), 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 (См. Изотопический спин) 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 Σ⁰ и Ξ⁰ до их экспериментального открытия.

Г. Λ, Σ, Ξ 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 Ω^—-Г. (см. Элементарные частицы).

Распады Г. Основные способы распада Г. указаны в табл. Распады Г. подчиняются следующим закономерностям: 1) ΔS = 1 — странность изменяется по абсолютной величине на единицу: исключение составляет распад Σ⁰ на Λ⁰ и фотон, Σ⁰ → Λ⁰ + γ, протекающий за счёт электромагнитного взаимодействия (отсюда и время жизни Σ⁰ должно быть ~ 10^-20 сек, а не 10^-10 сек) и поэтому не сопровождающийся изменением странности. Этот закон запрещает прямой распад ∏-Г. на нуклон и π-мезоны, т.к. при таком распаде странность изменилась бы на две единицы. Распад ∏-Г. происходит в два этапа: Ξ → Λ⁰ + π; Λ⁰ → N + π (где N означает нуклон). Поэтому ∏-Г. называют каскадным. Каскадные распады претерпевают также Ω^—-Г.

2)ΔQ = ΔS — в распадах с испусканием лептонов (См. Лептоны) изменение заряда Q адронов равно изменению странности S. Этот закон запрещает, например, распад S⁺ → n + μ⁺ + ν (μ⁺ — положительный мюон, ν — нейтрино).

3) ΔI = 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 (См. Гипер-ядро), 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. с англ., М., 1963 (Над чем думают физики, в. 2); Эдер Р. К., Фаулер Э. К., Странные частицы, пер. с англ., М., 1966; Фриш Д., Торндайк А., Элементарные частицы, пер. с англ., М., 1966.

Л. Г. Ландсберг.

Рис. 1. Фотография (а) и схематическое изображение (б) случая парного рождения Λ°-гиперона и Κ°-мезона на протоне в жидководородной пузырьковой камере под действием π^—-мезона: π^— + p → Λ° + Κ°. 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 Λ°-гиперона и Κ°-мезона под действием слабого взаимодействия: Λ° → p + π^— , Κ° → π⁺ + π^— (в каждом из этих процессов странность меняется на 1). Пунктирные линии на рис. б изображают пути нейтральных частиц, которые не оставляют следа в камере.

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

Рис. 2. Фотография (а) и схематическое изображение (б) случая рождения и распада Ω^—-гиперона в пузырьковой камере, наполненной жидким водородом. Гиперон Ω^— рождается (в точке 1) при столкновении Κ^— -мезона с протоном в реакции Κ^— + p → Ω^— + Κ⁺ + Κ°, 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: Ω^— → Ξ° + π^- (в точке 2); Ξ° → Λ° + π° (в точке 3), причём π°, имеющий малое время жизни, распадается практически в той же точке 3 на два γ-kванта, π° → γ₁ + γ₂, которые рождают электронно-позитронные пары e⁺, e^–; Λ° → p + π^- (в точке 4). Треки частиц искривлены, так как камера находится в магнитном поле.