Кіріспе
Кем дегенде бір гиперонды қамтитын ядро. Гиперядро қалыпты атом ядросына ұқсас, бірақ қалыпты протондар мен нейтрондарға қоса кем дегенде бір гиперонды қамтиды. Гиперондар – нөлдік емес таңғажайып кванттық санды алып жүретін барион бөлшектерінің бір санаты, бұл сан күшті және электромагниттік өзара әрекеттесулерде сақталады. Әртүрлі реакциялар ядроға бір немесе бірнеше бірлік таңғажайыпты енгізуге мүмкіндік береді. Ең жеңіл гиперон – ламбда (Λ) бар гиперядролар, әдетте, қалыпты ядролардан гөрі тығыз байланысты болады, бірақ олар әлсіз күш арқылы, шамамен 200-ге жуық орташа өмір сүру мерзімінде ыдырай алады. Сигма (Σ) гиперядролары ізделіп келеді, сондай-ақ xi барионы (Ξ) немесе екі ламбда (Λ) бар екі рет таңғажайып ядролар да іздестірілген.
A hypernucleus is similar to a conventional atomic nucleus, but contains at least one hyperon in addition to the normal protons and neutrons. Hyperons are a category of baryon particles that carry non zero strangeness quantum number, which is conserved by the strong and electromagnetic interactions. A variety of reactions give access to depositing one or more units of strangeness in a nucleus. Hypernuclei containing the lightest hyperon, the lambda (Λ), tend to be more tightly bound than normal nuclei, though they can decay via the weak force with a mean lifetime of around 200. Sigma (Σ) hypernuclei have been sought, as have doubly strange nuclei containing xi baryons (Ξ) or two Λ's.
Номенклатура
Гиперядролар атомдық саны және бариондық саны арқылы аталады, сияқты қалыпты ядроларда, сондай-ақ гиперон(дар) символдың сол жағына төменгі индекс ретінде жазылады. Атомдық сан – гиперядроның жалпы заряды ретінде қарастырылады, оған xi минус (Ξ−) сияқты зарядталған гиперондар мен протондар да кіреді. Мысалы, гиперядро 8 протоннан, 7 нейтроннан және бір Λ-дан тұрады (ол зарядталмаған).
Тарих
Біріншісі Мариан Даниш және Джерзи Пневски 1952 жылы ғарыштық сәулелерге ұшыратылған ядролық эмульсиялық тақта арқылы, олардың энергетикалық, бірақ кешіктірілген ыдырауына негізделген кезде табылды. Бұл құбылыс Λ барионын қамтитын ядролық фрагментке байланысты деп болжамдалды. 1970 жылға дейін ғарыштық сәулелерді пайдаланып эмульсияларда жасалған гиперядроларды зерттеу эксперименттері жалғасты, ал кейін бөлшектер үдеткіштерінен пион (π) және каон (K) сәулелері қолданылды. 1980 жылдардан бастап пион және каон сәулелерін пайдаланатын тиімді өндіріс әдістері CERN, Брукхейвен ұлттық зертханасы, KEK, DAφNE және JPARC сияқты түрлі үдеткіштерде одан әрі зерттеулер жүргізуге мүмкіндік берді. 2010 жылдары ALICE және STAR сияқты ауыр иондық эксперименттер кварк-глюондық плазмадан адронизация арқылы пайда болған жеңіл гиперядроларды алғаш рет өндіруге және өлшеуге мүмкіндік берді.
Қасиеттері
Гиперядролық физика, қалыпты ядролардан гиперонның төрт нуклонның спинінен және изоспинінен ерекшеленуімен өзгешеленеді. Яғни, жалғыз гиперон Паулидің тыйым салу принципімен шектелмейді және ең төменгі энергия деңгейіне дейін батуы мүмкін. Мысалы, литий гиперядросы 6Li қалыпты ядросынан 19%-ға кішірек. Дегенмен, гиперондар әлсіз күш арқылы ыдырай алады; бос Λ-ның орташа өмір сүру ұзақтығы 263, ал Λ гиперядросының өмір сүру ұзақтығы көбінесе сәл қысқа болады. Қалыпты, бөгде емес ядролар мен бөгде гиперядролар үшін жасалған жалпыланған масса формуласы Λ, ΛΛ, Σ және Ξ гиперондарын қамтитын гиперядролардың массасын бағалауға мүмкіндік береді. Гиперядролар үшін нейтрондық және протондық шекаралар болжанады және қалыпты нейтрондық және протондық шекаралардан тыс экзотикалық гиперядролардың болуы ұсынылады.
А гиперядролары
Гиперядроның ең қарапайым және жақсы түсінілген түрі ең жеңіл гиперон, Λ-ны ғана қамтиды. Екі нуклон виртуалды пион арқылы ядролық күш арқылы өзара әрекеттесе алады, бірақ Λ пионды шығарып Σ барионына айналады, сондықтан Λ-нуклон өзара әрекеттесуі тек η және ω мезондары сияқты ауыррақ мезондармен немесе екі немесе одан да көп мезонның бір уақытта алмасуы арқылы жүзеге асады. Бұл Λ-нуклон өзара әрекеттесуі стандартты ядролық күштен әлсіз және қысқа қашықтықта екенін, ал ядродағы Λ потенциалдық құдығы нуклондыкінен кем тереңдікте екенін білдіреді; гиперядроларда Λ потенциалының тереңдігі шамамен 30 МэВ-қа жуық. Дегенмен, Λ-нуклон өзара әрекеттесуіндегі бір пион алмасуы гиперядроларда Λ және Σ бариондарының кванттық-механикалық араласуына (еркін кеңістікте болмайтын құбылыс) әкеледі, әсіресе нейтронға қаныққан гиперядроларда. Сонымен қатар, Λ және екі нуклон арасындағы үш дене күші, ядродағы үш дене өзара әрекеттесуінен маңыздырақ болуы күтілуде, себебі Λ виртуалды Σ аралық арқылы екі пион алмастыра алады, ал нуклон үшін соған баламалы процесс салыстырмалы түрде ауыр дельта-барион (Δ) аралығын қажет етеді. Барлық гиперондар сияқты, Λ гиперядролары әлсіз өзара әрекеттесу арқылы ыдырай алады, бұл оны жеңіл барионға айналдырып, мезон немесе лептон-антилептон жұбын шығарады. Еркін кеңістікте Λ әдетте әлсіз күш арқылы протон мен π⁻ мезонына немесе нейтрон мен π⁰-ға ыдырайды, оның жалпы жартылай ыдырау мерзімі 263 құрайды. Гиперядродағы нуклон Λ-ның пионды шығармай әлсіз күш арқылы ыдырауына себеп болуы мүмкін; бұл процесс ауыр гиперядроларда пионды шығаратын ыдырау режимінің басылуына байланысты басым болады. Гиперядродағы Λ-ның жартылай ыдырау мерзімі айтарлықтай қысқа, шамамен 215-ке дейін төмендейді, бірақ кейбір эмпирикалық өлшемдер бір-бірімен немесе теориялық болжамдармен сәйкес келмейді.
Гипертритон
Ең қарапайым гиперядро – гипертритон, ол бір протоннан, бір нейтроннан және бір Λ гиперонынан тұрады. Бұл жүйедегі Λ өте әлсіз байланысқан, бөліну энергиясы 130 кэВ-қа тең және радиусы 10,6 фм, деутерон үшін бұл көрсеткіш шамамен 2,13. Мұндай әлсіз байланыс Λ-ның бос күйіндегідей ұзақ өмір сүру уақытын білдіреді. Дегенмен, барлық тәжірибелер бойынша орташа есептелген гипертритонның өмір сүру мерзімі (шамамен 206) теориялық болжамдардан едәуір қысқа, себебі мезондық емес ыдырау жолының үлесі шамалы деп есептелінеді. Кейбір тәжірибелік нәтижелер осы орташа көрсеткіштен айтарлықтай қысқа немесе ұзақ болып келеді.
Σ гиперядролары
Σ барионын қамтитын гиперядролардың болуы одан да күмәнді. 1980 жылдардың басындағы бірнеше тәжірибелер Λ бөліну энергиясынан жоғары байланған гиперядролық күйлерді анықтады және олардың біршама ауыр Σ барионын қамтитыны болжалды, бірақ он жылдықтың соңындағы тәжірибелер мұндай күйлердің бар екенін жоққа шығарды. Ξ барионын қамтитын гиперядролар белгілі. Эмпирикалық зерттеулер мен теориялық модельдер Ξ–протонның өзара әрекеттесуі тартымды, бірақ Λ–нуклондардың өзара әрекеттесуінен әлсіз екенін көрсетеді. Σ және басқа да теріс зарядталған бөлшектер сияқты, Ξ– де экзотикалық атом құрауы мүмкін. Ξ– экзотикалық атомға немесе гиперядроға байланған кезде, ол протонымен жат кварк алмасу арқылы тез ΛΛ гиперядросына немесе екі Λ гиперядросына ыдырайды, бұл бос кеңістікте шамамен 29 МэВ энергияны босатады: Ξ− + p → Λ + Λ. 2022 жылға дейін мұндай гиперядролар ешқандай жағдайда байқалған жоқ, бірақ мұндай ең жеңіл түрлер ауыр иондардың соқтығысуында пайда болуы мүмкін, ал STAR экспериментінің өлшемдері протон–Ω дибарионының бар екенімен сәйкес келеді.
Ξ− + p → Λ + Λ as of 2022, no such hypernuclei have been observed under any conditions, but the lightest such species could be produced in heavy ion collisions, and measurements by the STAR experiment are consistent with the existence of the proton–Ω dibaryon.
Үлкен таңғажайыптылығы бар гиперядролар
Λ электрлік бейтарап болғандықтан және оның ядролық күштердің әрекеттесуі тартымды болғандықтан, өте жоғары таңғажайыптығы және кішкентай таза заряды бар, тіпті нуклондары жоқ түрлері де болжамдалады, кез келген үлкен гиперядролар болуы мүмкін. Белгілі бір жағдайларда көп таңғажайып гиперядролардағы барьонға шаққандағы байланыс энергиясы 21 МэВ/A-ға дейін жете алады. Сонымен қатар, Λ болмаған кездегідей, нуклонмен таңғажайыпты алмасу Паули қағидасы бойынша мүмкін болмайтындықтан, Ξ бариондарының пайда болуы тез арада энергетикалық тұрғыдан тиімді болуы керек.
Өндіріс
Гиперядроларды жасау үшін қалыпты ядроларды бомбалау арқылы бірнеше өндіріс әдістері құрастырылған.
Гиперонды ұстап алу
Ξ-барионды ядроның ұстауы Ξ-экзотикалық атом немесе гиперядро тудыруы мүмкін.
Каондық ядролар
K мезоны экзотикалық атомның ядросын айналып, мысалы, кэондық сутектегідей айнала алады. Кэондық сутектегі K⁻ протонымен күшті өзара әрекеттесу итергіш болғанымен, K⁻ ядросымен өзара әрекеттесу үлкен жүйелер үшін тартымды, сондықтан бұл мезон гиперядроға ұқсас, тығыз байланысқан күйге түсе алады.
Сиқырлы гипернуклеи
1977 жылдан бері шарм кваркі бар ядролар теориялық тұрғыдан болжамдалған, және олар, егер таңғажайып кварктар болмаса да, шарм гиперядролары деп сипатталады. Атап айтқанда, ең жеңіл шарм бариондары – Λc және Σc бариондары шарм гиперядроларында байланысқан күйде болады деп күтілуде, және гиперядроларды жасау үшін қолданылатын процестерге ұқсас процестерде пайда болуы мүмкін. Λc пен массасы арасындағы айырмашылық гиперядроларда осы бариондардың араласуына мүмкіндік бермейді. Шарм гиперядроларының әлсіз ыдырауы, ыдырау процесінде бөлінетін энергия Λ барионының массасына шамалас болғандықтан, обычай гиперядроларына қарағанда күшті релятивистік түзетулерге ие.