Hyperoner: Definition, egenskaber og henfald af strange-baryoner
Hyperoner: forstå definition, egenskaber og svage-henfald af strange-baryoner. Læs om Λ-hyperoners kvark-sammensætning, levetid og aktuelle eksperimenter (CERN, Fermilab).
Hyperoner er en gruppe partikler, der er sammensat af tre kvarker. Det, der karakteriserer hyperoner, er, at de har mindst én strange kvark, men ingen charme- eller bundkvarker. Den mærkelige kvark har en kvantetals-egenskab kaldet fremmedhed (strangeness), og fordi stærke vekselvirkninger bevarer denne størrelse, kan hyperoner ofte ikke henfalde direkte til ikke‑fremmede partikler via den stærke kraft, men må i stedet henfalde gennem den meget langsommere svage kraft. Dette giver hyperoner relativt lange levetider sammenlignet med mange andre hadroner.
Typer og kvarkindhold
- Λ (lambda): typisk kvarkindhold udsættes som uds (up, down, strange).
- Σ (sigma): kommer i tre ladningsvarianter (Σ+, Σ0, Σ−) med kvarkindhold f.eks. Σ+ = uus, Σ0 = uds, Σ− = dds.
- Ξ (xi eller "kaskade"): indeholder to strange kvarker, f.eks. Ξ0 = uss og Ξ− = dss.
- Ω− (omega): består af tre strange kvarker (sss) og er et eksempel på et rent triple‑strange baryon.
Der findes desuden eksiterede tilstande (f.eks. Σ* og Ξ*), som ofte har højere spin og kortere levetid.
Egenskaber: spin, masse og levetid
Alle kvarker er fermioner med spin 1/2, men hvordan kvarkernes spintilstande kombineres bestemmer baryonets samlede spin. Mange ground‑state hyperoner (Λ, Σ, Ξ) har samlet spin 1/2, mens nogle exciterede tilstande og partiklen Ω− har spin 3/2. Derfor er det ikke korrekt at antage, at et hyperon altid har spin 3/2.
Masser og levetider varierer mellem typerne. Som eksempler kan nævnes, at Λ0 har en masse omkring 1116 MeV/c2 og en gennemsnitlig levetid på ca. 2,6×10−10 s (hvilket gør den til en af de længstlevende hyperoner). Andre hyperoner har levetider fra ~10−10 s for mange ground‑state hyperoner til meget kortere tider for elektromagnetisk eller stærkt henfaldende exciterede tilstande.
Henfald
Hyperoner henfalder primært via den svage kraft, fordi svag vekselvirkning kan ændre strangeness. Et velkendt eksempel er Λ0, som typisk henfalder til en proton og en negativ pion (π−) eller — sjældnere — til en neutron og en uladt pion (π0). Disse processer har flere mulige slut‑tilstande og karakteriseres ved bestemte asymmetrier og polarisationsegenskaber, som eksperimentelt kan måles.
Nogle hyperoner eller deres exciterede tilstande kan også henfalde stærkt til andre strange partikler, hvis denne kanal bevarer strangeness. Derudover kan visse tilstande henfalde elektromagnetisk (f.eks. Σ0 → Λ + γ) med meget kortere levetider end de svage henfald.
Fremstilling og eksperimentel undersøgelse
Hyperoner produceres almindeligvis i høje‑energi sammenstød mellem partikler, f.eks. i proton‑proton‑kollisioner eller i kollisioner mellem stråler og faste mål. De studeres i laboratorier og acceleratormiljøer verden over, blandt andre CERN, Fermilab og SLAC. Eksperimenter måler bl.a. masser, levetider, forgreningsforhold, rotations- og translationsasymmetrier samt CP‑symmetri‑parametre i henfald.
Betydning og anvendelser
- Studier af hyperoner bidrager til forståelsen af kvark‑model og kvantekromodynamik (QCD) i den ikke‑perturbative regime.
- Hyperonhenfald er et redskab til at lede efter CP‑overtrædelse i baryonsektoren — et område der kan kaste lys over forskellen mellem stof og antimaterie.
- Hyperoner spiller også en rolle i nuklear fysik: såkaldte hyperkerner indeholder hyperoner bundet i kerner, og tilstedeværelsen af hyperoner i ekstremt tætte miljøer (f.eks. i neutronstjerner) påvirker materialeegenskaber og ligninger for tilstanden i sådanne objekter.
Fortsat forskning
Der arbejdes stadig intensivt med hyperonfysik både teoretisk og eksperimentelt. Nuværende og kommende eksperimenter søger højere‑præcision målinger af henfaldsparametre, søgning efter sjældne eller forbudte henfald og bedre forståelse af hyperon‑interaktioner i nukleart stof. Resultater herfra kan få betydning for fundamentale spørgsmål i partikel- og astrofysik.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er hyperoner?
A: Hyperoner er partikler, der består af kvarker, som skal have mindst én strange kvark, men ingen charm- eller bundkvarker.
Spørgsmål: Hvad er fremmedhed?
Svar: Strangeness er en egenskab ved den mærkelige kvark, som gør, at den og alle andre partikler, der er bundet til den, ikke henfalder ved den stærke kraft, men i stedet på grund af den meget langsommere svage kraft.
Spørgsmål: Hvor mange forskellige typer hyperonkombinationer findes der?
Svar: Der findes dusinvis af forskellige hyperonkombinationer.
Spørgsmål: Hvad er et eksempel på en hyperonkombination?
Svar: En Λ (lambda)-hyperon har en ladning på 0 og skrives ofte som Λ0. Når den henfalder, danner den normalt en proton og en antipion.
Sp: Hvad er den gennemsnitlige levetid for Λ0-hyperoner?
Svar: Den gennemsnitlige levetid for Λ0-hyperoner er 2,6x10-10 sekunder.
Spørgsmål: Hvor undersøger forskerne hyperoner? Svar: Forskere studerer hyperoner i laboratorier verden over, f.eks. i CERN, Fermilab og SLAC.
Spørgsmål: Hvilke problemer kan studier af hyperoner være med til at løse? A: Studier af hyperoner kan hjælpe med at besvare spørgsmål om problemer som CP-overtrædelse, hvor symmetrier, som man troede var sande, måske ikke er sande.
Søge