Hyperoner — baryoner med konstiga kvarkar: egenskaper, sönderfall & forskning

Hyperoner: lär dig om baryoner med konstiga kvarkar — egenskaper, sönderfall, livslängd och aktuell forskning från CERN, Fermilab & SLAC.

Hyperoner är partiklar som består av kvarkar. Mer specifikt är hyperoner baryoner som innehåller minst en konstig kvark, men inga charmkvarkar eller bottenkvarkar. Den konstiga kvarken ger hyperoner en kvanttal som kallas för strangeness (konstighet). Strangeness bevaras av den starka och elektromagnetiska växelverkan men inte av den svaga kraften. Det är därför många hyperoner inte kan sönderfalla direkt via den starka kraften utan istället har relativt långsamma sönderfall som styrs av den svaga växelverkan.

Spin och kvantegenskaper

Alla kvarkar är fermioner med individuellt spinn 1/2. Det betyder dock inte att en hyperon alltid får ett totalt spinn av 3/2 — baryonens totala spinn beror på hur de tre kvarkarnas spinn och eventuell rörelseenergi (orbitalrörelsemoment) kopplas ihop. Många av de stabilaste grundtillstånden för hyperoner har totalt spinn 1/2 (till exempel Λ, Σ och Ξ i oktetten), medan exciterade tillstånd och de så kallade deltablankade partiklarnas motsvarigheter (t.ex. Σ*, Ξ*, Ω−) ofta har spinn 3/2. Dessa spinn‑3/2‑tillstånd sönderfaller vanligen snabbt till spinn‑1/2‑tillstånd via starka eller elektromagnetiska övergångar.

Sönderfall och exempel

Hyperoner sönderfaller i första hand genom den svaga kraften, vilket ger längre livslängder än för partiklar som sönderfaller via stark växelverkan. Det finns många olika hyperoner och flera möjliga sönderfallsgrenar för varje sort. Ett välkänt exempel är Λ (lambda): en Λ‑hyperon, ofta skriven som Λ0, har elektrisk laddning 0 och består av kvarkarna uds (upp, ned, konstig). När en Λ0 sönderfaller är ett vanligt utfall en proton och en antipion (oftast π−). Ett annat möjligt utfall är en neutron plus en oladdad pion. Λ0-hyperoner har en genomsnittlig livslängd på cirka 2,6×10−10 sekunder, vilket gör dem till några av de mest långlivade hyperonerna.

• Λ (lambda) — kvarkinnehåll: uds. Spinn: 1/2. Livslängd ≈ 2,6×10−10 s.
• Σ (sigma) — tre laddningsvarianter (Σ+, Σ0, Σ−) med innehåll t.ex. Σ+ = uus, Σ0 = uds, Σ− = dds. Σ0 sönderfaller mycket snabbt elektromagnetiskt till Λ0 + γ; Σ± sönderfaller svagt och har livslängder av ordningen 10−10–10−11 s.
• Ξ (xi, "kasse") — två varianter (Ξ0 = uss, Ξ− = dss). Spinn: 1/2. Typisk livslängd ≈ 1,6×10−10 s.
• Ω− (omega) — kvarkinnehåll sss. Grundtillståndet har spinn 3/2 och en relativt kort livslängd ≈ 0,8×10−10 s.

Varför hyperoner studeras

Hyperoner är värdefulla i flera forskningsområden:

• Grundläggande växelverkan: Eftersom deras sönderfall styrs av den svaga växelverkan används hyperoner för att studera svaga interaktioner, paritetsbrytning och möjliga CP‑symmetribrott (där symmetrier mellan materia och antimateria kan brytas).
• CP‑sökningar: Hyperonernas polarisationsmönster och asymmetrier i sönderfallsprodukter gör dem lämpade för känsliga sökningar efter CP‑brott bortom det som observerats i kaon‑ och B‑systemen. Sådana sökningar pågår vid experiment på exempelvis CERN, Fermilab och SLAC samt vid numera aktiva experiment som LHCb och BESIII.
• Test av hadronstruktur: Studier av hyperoner ger information om hur kvarkar binds i baryoner, modellering av starka växelverkan (QCD) på låg energi samt om resonanser och exciterade tillstånd.
• Astrofysik: I extremt täta miljöer, såsom neutronstjärnekärnor, kan hyperoner bildas och påverka ekvationen för tillståndet i materien. Det leder till den så kallade "hyperonpusslet" — teoretiska utmaningar att förena förekomsten av hyperoner med observationer av mycket massiva neutronstjärnor.

Produktion och observation

Hyperoner produceras i högenergetiska kollisioner mellan partiklar i acceleratorer, i sekundära processer i kosmiska strålar och i experimentella gas- eller måltillstånd där hadroner bildas. De detekteras indirekt genom att man spårar deras sönderfallsprodukter i spårdetektorer och kalorimetrar — till exempel ser man ofta de karakteristiska "V-formade" spåren från Λ → p + π−. Moderna experiment använder hög precision i spårning och partikelidentifiering för att studera sällsynta sönderfall, polarisationsfenomen och små asymmetrier.

Pågående forskning

Forskningen fortsätter både experimentellt och teoretiskt. Experimentella grupper vid CERN, Fermilab och SLAC samt institut runt om i världen mäter sönderfallsgrenar, livslängder, polarisering och söker efter avvikelser från standardmodellens förutsägelser. Teoretiker arbetarför att beskriva hyperoner i ramverket för kvantkromodynamik (QCD) och för att förstå konsekvenserna av hyperoner i kompakt astrofysisk materia.

Sammanfattningsvis ger hyperoner en unik brygga mellan studiet av starka och svaga interaktioner, möjligheter att söka ny fysik genom precisa asymmetrimätningar och viktiga insikter i materia under extrema förhållanden.

Frågor och svar

Fråga: Vad är hyperoner?

F: Vad är konstigheter?

F: Hur många olika typer av hyperonkombinationer finns det?

F: Vad är ett exempel på en hyperonkombination?

F: Vad är den genomsnittliga livslängden för Λ0-hyperoner?

Sök med bokstav