«Гипероны»

(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» (Гипероны 10^-23сек). 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^-20сек); 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. ⁺ (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

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

|  | Λ-гиперон    | Σ-гиперон (триплет)  | Ξ-гиперон (дуплет)       | Ω-гиперон (синглет)   |

|  | (синглет)     |        |    |          |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Состав      | Λ °      | Σ⁺       | Σ⁰      | Σ^-      | Ξ⁰        | Ξ^-   | Ω^-      |

| изотопического |    |           |          |          |     |       |          |

| мультиплета     |    |           |          |          |     |       |          |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Масса, Мэв      | 1115,6         | 1189,4 | 1192,5       | 1197,3        | 1314,7  | 1321,3    | 1672,4        |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Изотонический  | 0 |           | 1       |          | 1/2       |       | 0        |

| спин I        |    |           |          |          |     |       |          |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Странность S   | -1        |           | -1      |          | -2         |       | -3       |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Время жизни,   | 2,52∙10^-10     | 0,80∙10^-10    | По теоретическим оценкам 10^-  | 1,49∙10^-10          | 3,03∙10^-10      | 1,66∙10^-10        | 1,3∙10^-10     |

| сек    |    |           | ²⁰       |          |     |       |          |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Основные  |       |    |       |    |          |          |     |       |         | Ξ⁰+π^-       |

| схемы       |       |    |       |    |          |          |     |       |         |---------------- |

| распада*   | Λ→°{       | ρ+π^-   | Σ⁺→{      | ρ+π⁰   | Σ⁰→Λ⁰+γ    | Σ⁰→ n+π^-    | Ξ⁰→Λ⁰+π⁰     | Ξ⁰→Λ⁰+π^-        | Ω^-→{        | Ξ^-+π⁰       |

|  |       |------------|       |------------|  |          |     |       |         |---------------- |

|  |       | n+π⁰   |       | n+π⁺   |          |          |     |       |         | Λ⁰+K^-      |

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

* 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 Гипероны 10^-20сек, 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 Qадронов 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.

ГИПЕРОНЫ (от греч. hyper - сверх) - нестабильные барионы с массами, большими массы нейтрона, и большим временем жизни по сравнению с ядерным временем; обладают особой внутренней характеристикой - странностью. Существуют гипероны лямбда (?), сигма (?), кси (?) и омега (?).

ГИПЕРОНЫ

(от греч. hyper — сверх, выше), нестабильные элем. ч-цы с массой больше нуклонной и большим (по яд. масштабам) временем жизни; относятся к адронам и явл. барионами. Г. обладают особым квант. числом — странностью (S) и вместе с К-мезонами и нек-рыми резонансами образуют группу странных ч-ц. Новая хар-ка ч-ц — странность введена в 1955 амер. физиком М. Гелл-Маном и япон. физиком К. Нишиджимой для интерпретации закономерностей рождения и распада Г. и К-мезонов, в частности того факта, что при столкновении p-мезонов с нуклонами Г. всегда рождались совместно с К-мезонами (рис. 1), в поведении к-рых обнаруживаются те же особенности, что и у Г.

Известно неск. типов Г.: лямбда (L) с массой т »1116 МэВ, сигма (S-, S0, S+) с m»1190 МэВ, кси (?-,?0) с m»1320 МэВ и омега (W-) с m»1670 МэВ; все они имеют свои античастицы, обнаруженные экспериментально. Странность Г. отрицательна (антигиперонов — положительна): у L- и S-Г. S=-1, у?-Г. S=- 2, у W-Г. S=-3. Рождаясь в сильном вз-ствии, Г. распадаются за счёт слабого взаимодействия со ср.

.

Рис. 1. Фотография (а) и схематич. изображение (б) случая парного рождения L0-гиперона и К0-мезона на протоне в жидко-водородной пузырьковой камере под действием p--мезона: p-+р®-L0+К0. Реакция обусловлена сильным вз-ствием и разрешена законом сохранения странности (в нач. и кон. состоянии суммарная странность ч-ц S=0). На снимке видны также распады L0 и К0 под действием слабого вз-ствия: L0® р+p-, К0® p++p-; в каждом процессе странность меняется на единицу. Пунктирные линии на рис. б изображают пути нейтр. ч-ц, не оставляющих следа в камере.

временем жизни t =10-10 с (за исключением S°, распадающегося в результате эл.-магн. вз-ствия с t =10-19 с). Осн. способы распада:

L®р+p-, n+p0; S+®р+p0,

n+p+; S0®L+g;

S-®p-+n;0®L+p0;

?-®L0+p-; W-®?0 +p-,

?-+p0, L+K-.

Распады с испусканием лептонов составляют доли % от осн. способов распада. Все распады, обусловленные слабым вз-ствием, происходят с изменением странности на единицу (в сильном и эл.-магн. вз-ствиях странность сохраняется). Рис. 2 иллюстрирует процессы сильного и слабого вз-ствия Г.

Первый Г. (L) открыт в косм. лучах (1947). Детальное изучение Г. стало возможным после того, как их получили с помощью ускорителей заряж. ч-ц. В 70-х гг. созданы пучки заряж. и нейтр. Г. с энергией 20— 100 ГэВ; такие Г. благодаря релятив. увеличению времени жизни успевают пролететь до распада расстояния до неск. м. Гиперонные пучки существенно увеличили возможность систематич. исследования вз-ствий Г. (Последние данные о временах жизни Г. (см. в табл. 1 в ст.. (см. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ))

Сильное вз-ствие Г., как и др. адронов, обладает симметрией, наз. изотопической инвариантностью и проявляющейся в том, что ч-цы группируются в изотопич. мультиплеты. Г. образуют четыре изотопич. мультиплета: W и L — изотопич. синглеты,?-Г.— изотопич. дублет (?-,?0), 2-Г.—изотопич. триплет (S+, S0, S-). Аналогичные мультиплеты образуют антигипероны. По ряду св-в Г. довольно близки к др. барионам и могут быть объединены вместе с ними в более широкие ' семейства — унитарные мультиплеты, отвечающие унитарной симметрии SU (3). С помощью этой симметрии удалось предсказать существование и св-ва W--Г.

Св-ва Г. можно объяснить в рамках совр. кварковой модели ч-ц. Согласно этой модели, Г., как и др. барионы, состоят из трёх кварков, причём в состав Г. обязательно входят s-кварки — носители странности. Странность s-кварка S=-1, так что в Г. Л и 2 входит один s-кварк, в?-Г.— два, а W-Г. состоит из трёх s-кварков. В распадах Г., обусловленных слабым вз-ствием, s-кварк переходит в u-кварк с S=0. Поэтому слабые распады происходят с изменением S на единицу. Этот закон запрещает распад?-Г. на нуклон и p-мезоны, т. к. при этом странность изменилась бы на два. Распад? происходит в два этапа:?®L+p; L ®N+p. Поэтому?-Г. наз. каскадным. Каскадные распады претерпевают также W-Г. Другие правила отбора позволяют объяснить соотношения между вероятностями разл. каналов распада Г.

При вз-ствии быстрых ч-ц с ядрами могут возникать т. н. гиперядра, в к-рых один из нуклонов ядра замещён L-Г. (наблюдались также гиперядра с двумя L-Г.).

.

Рис. 2. Фотография (а) и схематич. изображение (б) рождения и распада антигиперона W=(W+) в пузырьковой камере, наполненной жидким дейтерием и находящейся в магн. поле. W- рождается (в точке 1) в реакции К+d®W=+L0+L0+р+p++p-. Согласно законам сохранения барионного заряда В и (в сильном вз-ствии) странности S, рождение антибариона W= (В=-1) на дейтроне (В=+2) сопровождается рождением трёх барионов: L0, L0, р (в нач. состоянии S=+1). Распады образовавшихся ч-ц происходят в результате слабого вз-ствия с изменением S на единицу. Один L0 распадается (в точке 2) на p и p-, а другой L0 выходит из камеры, не успев распасться (на рисунке не помечен; его наличие подтверждается законом сохранения энергии и импульса); W= распадается (в точке 3) на антилямбда-гиперон L=0 и К+; L=0 распадается (в точке 4) на p^ и p+; p^ (в точке 5) аннигилирует с протоном, образуя неск. p-мезонов.

гиперо́ны

(от греч. hypér — сверх), нестабильные барионы с массами, бо́льшими массы нейтрона и бо́льшим временем жизни по сравнению с ядерным временем; обладают особой внутренней характеристикой — странностью. Существуют гипероны лямбда (λ), сигма (Σ), кси (Ξ) и омега (ω).

* * *

ГИПЕРО́НЫ (от греч. hyper — сверх), нестабильные барионы(см. БАРИОНЫ) с массами, большими массы нейтрона, и большим временем жизни по сравнению с ядерным временем(см. ЯДЕРНОЕ ВРЕМЯ); обладают особой внутренней характеристикой — странностью(см. СТРАННОСТЬ). Существуют гипероны лямбда (l), сигма (S), кси (X) и омега (W).

(от греч. hyper - над, сверх) - тяжёлые нестабильные элементарные частицы с массой больше массы нуклона и временами жизни от 10^-10 до 10^1-19 с.

ГИПЕРОНЫ — «тяжёлые» нестабильные элементарные частицы (см.) из класса адронов (см.) с массой, большей массы нуклона (см.), и большим (по ядерным масштабам) времени жизни. Г., как и барионы (см.), состоят предположительно из трёх кварков (см.). Все Г. рождаются в реакциях сильных взаимодействий (см.), а распадаются за счёт слабых взаимодействий (см.). Обнаружено несколько типов Г., у всех них имеются античастицы (антигипероны), напр. антисигмаминус Г.