Hüperonid: määratlus, kvarkide koostis, omadused ja lagunemine

Määratlus ja koostis

Hüperonid on osakesi, mis koosnevad peamiselt kvarkidest. Need on eriliik baryonitest (baryonid on kolmest kvargist koosnevad osakesed) ning hüperoniks loetakse sellist baryoni, mille koosseisus on vähemalt üks kummaline kvark, kuid ei tohi sisaldada võlu- ega põhjakvarke. Kummalisus (strangeness) on kvarkide omadus, mis ei muutu tugeva jõu toimel; seetõttu ei saa kummalisuse muundumist läbi tugeva interaktsiooni toimuda ja hüperonid lagunevad eelkõige nõrga jõu tõttu, mis teeb nende eluaja oluliselt pikemaks kui tugevusega kiiresti lagunevate osakeste oma.

Spinn ja fermionlikkus

Kõik kvarkid on fermionid ja omavad intrinsiikset spinni 1/2. See tähendab, et baryonid, mis koosnevad kolmest kvargist, on samuti fermionid ja neil on pool- või täisarvu poolne spinn (tavaliselt 1/2 või 3/2, sõltuvalt kvarkide spinide ja orbitalsete olekute kokkulangemisest). Pauli printsiip (et identsetel fermionidel ei saa olla sama täielikku kvantseisundit) kehtib kvarkide kohta, kuid kvarkide värilaeng (color charge) võimaldab identsetel kvarkidel esineda samas ruumilises olekus, kui väriosa eksisteerib antisümmeetriliselt.

Tüübid ja omadused

Λ (lambda) — sageli tähistatud Λ0; lähtekuarkide koosseis on uds (up, down, strange). Lambda on üks tuntumaid hüperoone.
Σ (sigma) — peres on Σ+, Σ0 ja Σ−; kvarkikoostised on näiteks Σ+ = uus (uus = uus? NB: uus = up) ehk uus on uudne termin — tegelikult Σ+ = uus uus kummaline (uus uus s), Σ0 ja Σ− vastavalt teiste kombinasioonidega (täpsemad kvarkikoostised on Σ+ = uus uus kummaline (uus = up), Σ0 = up down strange ja Σ− = down down strange).
Ξ (kaskaad või ksi) — sisaldavad kahte kummalist kvarki, nt Ξ0 = uss ja Ξ− = dss.
Ω− — koosneb kolmest kummalisest kvargist (sss) ning on ajalooliselt oluline (see osake kinnitas kvarkimudeli ettekujutust); Ω− maht on spiniga 3/2.

Erinevatel hüperoonidel on erinev laeng ja mass; laengut märgitakse sageli sümboliga ja selle kohta võib lugeda, et näiteks Λ (lambda) laeng on 0 ehk Λ0.

Lagunemine ja eluiga

Hüperoonid lagunevad peamiselt nõrga jõu vahendusel, kuna strangeness ei muutu tugeva vastasmõju käigus. See nõrk-interaktsiooniline lagunemine annab hüperonidele suhteliselt pika eluaja hadroniliste osakeste tingimustes — tavaliselt 10⁻¹⁰ kuni 10⁻¹⁰ sekundi suurusjärgus. Näiteks Λ0 hüperoonide keskmine eluiga on ligikaudu 2,6·10⁻¹⁰ sekundit, mis teeb sellest ühe kõige pikaealisema hüperooni.

Λ0 tavalisim lagunemiskanali kirjeldus on:

Λ0 → prooton + negatiivne pioon (π−) — see on domineeriv kanal (ligikaudu 64% harvadel väärtustel);
Λ0 → neutron + laenguta pioon (π0) — teine sagedane kanal (ligikaudu 36%).

Nagu paljude nõrkade lagunemiste puhul, on olemas mitmeid võimalikku lõpptulemust ning harvemad harud võivad sisaldada näiteks vesiniku- või mitmeosakeste välju. Hüperoonide lagunemine uuritakse detektsioonisirgeste jälgede, invariantmassi ja polarisatsiooni abil, et mõista nii kehtivat tugevate ja nõrkade interaktsioonide dünaamikat kui ka võimalikku CP-ristrikkumist.

Eksperimentaalne ja teoreetiline tähtsus

Hüperoonid toodetakse kõrgenergeetilistes kokkupõrgetes ja neid uuritakse maailma juhtivates laborites, näiteks CERNis, Fermilabis ja SLACis. Neid kasutatakse nii hadroonilise spektroskoopia, kvarkimudelite testimise kui ka fundamentaalsete sümmeetriliste efektide, sealhulgas CP-ristrikkumise, uurimiseks. CP-ristrikkumine hüperoonide lagunemistes on huvitav, sest see võib anda täiendavat infot sümmeetriate rikkumise kohta, mis omakorda on seotud näiteks universumi aine-antaoodi asümmeetriaga.

Kokkuvõte: hüperonid on baryonid, mille koostises on vähemalt üks kummaline kvark. Nad pakuvad unikaalset akent nõrkade interaktsioonide, kvarkide sisemise struktuuri ja võimalikuks CP-ristrikkumise uuringuks, ning nende suhteliselt pikad eluajad võimaldavad neid hästi eksperimenteerida hadroniteidetel detektoritel.

Küsimused ja vastused

K: Mis on hüperonid?

V: Hüperonid on kvarkidest koosnevad osakesed, millel peab olema vähemalt üks kummaline kvark, kuid ei ole võlu- ega põhjakvarki.

K: Mis on veidrus?

V: Kummalisus on kummalise kvarki omadus, mis põhjustab, et see ja kõik teised sellega seotud osakesed ei lagune tugeva jõu, vaid hoopis palju aeglasema nõrga jõu tõttu.

K: Mitu erinevat tüüpi hüperooni kombinatsiooni on olemas?

V: Erinevaid hüperoonide kombinatsioone on kümneid.

K: Mis on näide hüperoonikombinatsioonist?

V: Λ (lambda) hüperoni laeng on 0 ja seda kirjutatakse sageli kui Λ0. Kui see laguneb, tekib tavaliselt üks prooton ja üks antipioon.

K: Milline on Λ0 hüperoonide keskmine eluiga?

V: Λ0 hüperoonide keskmine eluiga on 2,6x10-10 sekundit.

K: Kus teadlased uurivad hüperoone? V: Teadlased uurivad hüperoneid maailma laborites, näiteks CERNis, Fermilabis ja SLACis.

K: Milliseid probleeme aitab hüperoonide uurimine lahendada? V: Hüperoonide uurimine võib aidata vastata sellistele probleemidele nagu CP rikkumine, kus seni tõeseks peetud sümmeetriad ei pruugi olla tõesed.