Гипероны
Гипероны (от греч. hypér — сверх, выше), тяжёлые нестабильные элементарные частицы с массой, большей массы нуклона (протона и нейтрона), обладающие барионным зарядом и большим временем жизни по сравнению с "ядерным временем" (~ 10-23 сек). Известно несколько типов Г.: лямбда (L0), сигма (S—, S0, S+), кси (X—, X0), омега (W—) [значки —, 0, + справа сверху у символа частиц означают соответственно отрицательно заряженную, нейтральную и положительно заряженную частицы]. Все Г. имеют спин 1/2, кроме W—, спин которого, согласно теоретическим представлениям, должен, быть равен 3/2 (т. е. Г. являются фермионами). Г. участвуют в сильных взаимодействиях, т. е. принадлежат к классу адронов. Время жизни Г. порядка 10-10 сек (за исключением S0, который, по-видимому, имеет время жизни порядка 10-20 сек); за это время они распадаются на нуклоны и лёгкие частицы (p-мезоны, электроны, нейтрино).
Г. (L0) были открыты в космических лучах 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 высокой энергии при столкновениях быстрых нуклонов, p-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, 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 p-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 существованием особой характеристики адронов — странности (S), которая сохраняется в процессах сильного и электромагнитного взаимодействий. Если приписать К+- и К0-мезонам странность S = +1, а L-Г. и S-Г. — равное по величине и противоположное по знаку значение странности, S = — 1, и считать странность p-мезонов и нуклонов равной нулю, то сохранение суммарной странности частиц в сильных взаимодействиях объясняет и совместное рождение L- и S-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 X = Г., которые рождаются совместно с двумя К-мезонами, следует приписать S = —2, а W—-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, отличающаяся от своего Г. знаком электрического и барионного зарядов и странности. Все антигипероны наблюдались на опыте; последним был открыт (1971) антиомега-Г. , или W+ (рис. 3).
Сильное взаимодействие Г. Помимо сохранения странности, сильные взаимодействия Г. обладают определенной симметрией, называется изотопической инвариантностью. Эта симметрия была установлена ранее для нуклонов и p-мезонов и проявляется в том, что частицы группируются в некоторые семейства — изотонические мультиплеты [(р, n) и (p—, p0, p+), 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 I и равно 2I + 1. Г. образуют 4 изотопических мультиплета (см. табл.).
Таблица гиперонов
L-гиперон (синглет) | S-гиперон (триплет) | X-гиперон (дуплет) | W-гиперон (синглет) | |||||||
Состав изотопического мультиплета | L ° | S+ | S0 | S- | X0 | X- | W- | |||
Масса, Мэв | 1115,6 | 1189,4 | 1192,5 | 1197,3 | 1314,7 | 1321,3 | 1672,4 | |||
Изотонический спин I | 0 | 1 | 1/2 | 0 | ||||||
Странность S | -1 | -1 | -2 | -3 | ||||||
Время жизни, сек | 2,52·10-10 | 0,80·10-10 | По теоретическим оценкам 10-20 | 1,49·10-10 | 3,03·10-10 | 1,66·10-10 | 1,3·10-10 | |||
Основные схемы распада* | L®°{ | r+p- | S+®{ | r+p0 | S0®L0+g | S0® n+p- | X0®L0+p0 | X0®L0+p- | W-®{ | X0+p- |
X-+p0 | ||||||||||
n+p0 | n+p+ | L0+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 S0 и X0 до их экспериментального открытия.
Г. L, S, X 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 W—-Г. (см. Элементарные частицы).
Распады Г. Основные способы распада Г. указаны в табл. Распады Г. подчиняются следующим закономерностям: 1) DS = 1 — странность изменяется по абсолютной величине на единицу: исключение составляет распад S0 на L0 и фотон, S0 ® L0 + g, протекающий за счёт электромагнитного взаимодействия (отсюда и время жизни S0 должно быть ~ 10-20 сек, а не 10-10 сек) и поэтому не сопровождающийся изменением странности. Этот закон запрещает прямой распад Õ-Г. на нуклон и p-мезоны, т.к. при таком распаде странность изменилась бы на две единицы. Распад Õ-Г. происходит в два этапа: X ® L0 + p; L0 ® N + p (где N означает нуклон). Поэтому Õ-Г. называют каскадным. Каскадные распады претерпевают также W—-Г.
2)DQ = DS — в распадах с испусканием лептонов изменение заряда Q адронов равно изменению странности S. Этот закон запрещает, например, распад S+ ® n + m+ + n (m+ — положительный мюон, n — нейтрино).
3) DI = 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, 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.
Следующие
Гиперосмия (от гипер... и греч. osme — запах, обоняние), повышенная чувствительность к запахам. Может возникать при беременности… читать дальше
Гиперпаратиреоз [от гипер... и лат. (glandula) parathyreoidea — околощитовидная железа], заболевание, обусловленное избыточной п… читать дальше
Гиперпитуитаризм [от гипер... и лат. (glandula) pituitaria — гипофиз], повышение всех или отдельных внутрисекреторных функций ги… читать дальше