Введение

Ядро, содержащее по меньшей мере один гиперон. Гиперядро подобно обычному атомному ядру, но содержит, помимо нормальных протонов и нейтронов, по меньшей мере один гиперон. Гипероны — это категория барионных частиц, несущих ненулевое квантовое число странности, которое сохраняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях. Различные реакции позволяют ввести в ядро одну или несколько единиц странности. Гиперядра, содержащие самый легкий гиперон, лямбда (Λ), как правило, связаны более прочно, чем обычные ядра, хотя они могут распадаться посредством слабого взаимодействия со средним временем жизни около 200 пикосекунд. Искали гиперядра сигма (Σ), а также ядра с двойной странностью, содержащие барионы xi (Ξ) или два Λ.

Номенклатура

Гиперядра наименовываются по их атомному и барионному числам, как и обычные ядра, с добавлением гиперона (ов), которые указываются в виде левого индекса к символу. Следует отметить, что атомный номер интерпретируется как общий заряд гиперядра, включая заряженные гипероны, такие как xi минус (Ξ−), а также протоны. Например, гиперядро содержит 8 протонов, 7 нейтронов и один Λ (который не имеет заряда).

История

Первый был обнаружен Марианом Данышем и Ежи Пневским в 1952 году с использованием ядерной эмульсионной пластины, облученной космическими лучами, на основании их энергичного, но замедленного распада. Считалось, что это событие вызвано ядерным фрагментом, содержащим Λ-барион. Эксперименты до 1970-х годов продолжали изучать гиперядра, созданные в эмульсиях с использованием космических лучей, а затем – с использованием пучков пионов (π) и каонов (K) от ускорителей частиц. С 1980-х годов более эффективные методы производства с использованием пучков пионов и каонов позволили провести дальнейшие исследования на различных ускорительских комплексах, включая CERN, Brookhaven National Laboratory, KEK, DAφNE и JPARC. В 2010-х годах эксперименты с тяжелыми ионами, такие как ALICE и STAR, впервые позволили создать и измерить легкие гиперядра, сформировавшиеся в процессе адронизации из кварк-глюонной плазмы.

Свойства

Гиперядерная физика отличается от физики обычных ядер тем, что гиперон отличается по спину и изоспину от четырех нуклонов. Это означает, что отдельный гиперон не подчиняется принципу исключения Паули и может занимать самый низкий энергетический уровень. Например, гиперядро лития на 19% меньше обычного ядра ⁶Li. Однако гипероны могут распадаться посредством слабого взаимодействия; среднее время жизни свободного Λ составляет 263, а время жизни гиперядра Λ обычно немного меньше. Обобщенная формула массы, разработанная как для нестранных обычных ядер, так и для странных гиперядер, позволяет оценить массы гиперядер, содержащих Λ, ΛΛ, Σ и Ξ гипероны. Предсказываются нейтронные и протоновые границы существования гиперядер, а также предполагается возможность существования некоторых экзотических гиперядер за пределами обычных нейтронных и протононых границ.

Гиперядра

Самый простой и наиболее хорошо изученный тип гиперядра включает только самый легкий гиперон, Λ. В то время как два нуклона могут взаимодействовать посредством ядерной силы, обусловленной виртуальным пионом, Λ превращается в барион Σ при испускании пиона, поэтому взаимодействие Λ-нуклона опосредуется исключительно более массивными мезонами, такими как мезоны η и ω, или посредством одновременного обмена двумя или более мезонами. Это означает, что взаимодействие Λ-нуклона слабее и имеет меньшую дальность, чем стандартная ядерная сила, а потенциальная яма для Λ в ядре менее глубокая, чем для нуклона; в гиперядрах глубина потенциала Λ составляет приблизительно 30 МэВ. Однако, однократный обмен пионами во взаимодействии Λ-нуклона вызывает квантово-механическое смешивание барионов Λ и Σ в гиперядрах (чего не происходит в свободном пространстве), особенно в нейтронно-обогащенных гиперядрах. Кроме того, трехчастичное взаимодействие между Λ и двумя нуклонами, как ожидается, будет более значимым, чем трехчастичное взаимодействие в ядрах, поскольку Λ может обмениваться двумя пионами с виртуальным промежуточным Σ, в то время как эквивалентный процесс для нуклонов требует относительно тяжелого промежуточного дельта-бариона (Δ). Как и все гипероны, гиперядра Λ могут распадаться посредством слабого взаимодействия, которое превращает его в более легкий барион с испусканием мезона или пары лептонов и антилептонов. В свободном пространстве Λ обычно распадается посредством слабого взаимодействия на протон и π⁻-мезон или на нейтрон и π⁰, со временем полураспада 263. Нуклон в гиперядре может вызвать распад Λ посредством слабого взаимодействия без испускания пиона; этот процесс становится преобладающим в тяжелых гиперядрах из-за подавления канала распада с испусканием пиона. Время полураспада Λ в гиперядре значительно меньше, стабилизируясь примерно на 215, но некоторые эмпирические измерения существенно расходятся друг с другом или с теоретическими предсказаниями.

Гипертритон

Самым простым гиперядром является гипертритон, который состоит из одного протона, одного нейтрона и одного Λ-гиперона. Λ-гиперон в этой системе очень слабо связан, с энергией разделения 130 кэВ и большим радиусом 10,6 фм, по сравнению с примерно 2,13 фм для дейтерона. Такая слабая связь подразумевала бы время жизни, аналогичное свободному Λ-гиперону. Однако измеренное среднее время жизни гипертритона по всем экспериментам (около 206) существенно короче, чем предсказывалось теорией, поскольку вклад немезонного распада ожидается относительно небольшим; некоторые экспериментальные результаты значительно отличаются от этого среднего значения, будучи как короче, так и длиннее.

С гиперядра

Существование гиперядер, содержащих барион Σ, менее определенно. Ряд экспериментов в начале 1980-х годов сообщили об обнаружении связанных гиперядерных состояний с энергией выше энергии разделения Λ и предположили, что они содержат один из немного более тяжелых барионов Σ, однако последующие эксперименты, проведенные позднее в этом десятилетии, опровергли существование таких состояний. Гиперядра, содержащие Ξ-барион, известны. Эмпирические исследования и теоретические модели указывают на то, что взаимодействие Ξ–протона является притягательным, но слабее, чем взаимодействие Λ–нуклона. Подобно Σ– и другим отрицательно заряженным частицам, Ξ– также может образовывать экзотический атом. Когда Ξ– оказывается связанным в экзотическом атоме или гиперядре, он быстро распадается в гиперядро ΛΛ или в два гиперядра Λ посредством обмена странным кварком с протоном, что приводит к высвобождению около 29 МэВ энергии в свободном пространстве: Ξ− + p → Λ + Λ. По состоянию на 2022 год такие гиперядра не были обнаружены ни при каких условиях, однако самые легкие из них могут быть созданы в столкновениях тяжелых ионов, а результаты измерений, полученных экспериментом STAR, согласуются с существованием протоно-Ω дибарьона.

Гиперядра с более высокой странностью

Поскольку Λ электрически нейтральна, а её взаимодействия сильного взаимодействия притягательны, предсказывается существование сколь угодно больших гиперядер с высокой странностью и небольшим суммарным зарядом, включая виды, не содержащие нуклонов. Энергия связи на барион в многостранных гиперядрах может достигать 21 МэВ/A при определенных условиях. Кроме того, образование барионов Ξ должно быстро становиться энергетически выгодным, в отличие от случая, когда Λ отсутствуют, поскольку обмен странностью с нуклоном был бы невозможен из-за принципа исключения Паули.

Производство

Было разработано несколько методов создания гиперядер посредством бомбардировки обычных ядер.

Захват гиперона

Захват Ξ−-бариона ядром может привести к образованию Ξ−-экзотического атома или гиперядра.

Каонные ядра

Мезон K⁻ может вращаться вокруг ядра в экзотическом атоме, таком как каонический водород. Несмотря на то, что сильное взаимодействие K⁻-протона в каоническом водороде является отталкивающим, взаимодействие K⁻-ядра становится притягивающим для более крупных систем, поэтому этот мезон может образовывать сильно связанное состояние, тесно связанное с гиперядром.

Очарованные гиперядра

Ядра, содержащие шарм-кварк, теоретически предсказывались с 1977 года и описываются как очарованные гиперядра, несмотря на возможное отсутствие странных кварков. В частности, наиболее легкие очарованные барионы – Λc и Σc – как предсказывается, существуют в связанных состояниях в очарованных гиперядрах и могут быть созданы в процессах, аналогичных тем, что используются для создания гиперядер. Разница в массе между Λc и Σc слишком велика для существенного смешивания этих барионов в гиперядрах. Слабые распады очарованных гиперядер имеют значительные релятивистские поправки по сравнению с распадом обычных гиперядер, поскольку энергия, высвобождаемая в процессе распада, сопоставима с массой Λ-бариона.