Hiperon - Polski Serwis Naukowy

Hiperony (z gr. hyper "ponad") – grupa ciężkich cząstek (barionów), zawierających przynajmniej jeden kwark dziwny (s). Zaliczane są w związku z tym do cząstek dziwnych.

Hiperony mają masy większe od masy nukleonu, ale mniejsze niż dwa nukleony.

Charakterystyka

Hiperony są hadronami, a więc cząstkami oddziałującymi silnie. Są one fermionami, więc posiadają spin połówkowy i podlegają statystyce Fermiego-Diraca. Jako bariony, są one zbudowane z kwarków. W przypadku hiperonów są to kwarki lekkie, w tym co najmniej jeden kwark s; cząstki zawierające cięższe kwarki (c, b), nie są nazywane hiperonami.

Akcelerator – urządzenie służące do przyspieszania cząstek elementarnych lub jonów do prędkości bliskich prędkości światła. Cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym są przyspieszane w polu elektrycznym. Do skupienia cząstek w wiązkę oraz do nadania im odpowiedniego kierunku używa się odpowiednio ukształtowanego, w niektórych konstrukcjach także zmieniającego się w czasie, pola magnetycznego lub elektrycznego.

Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN (fr. Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) — ośrodek naukowo-badawczy położony na północno-zachodnich przedmieściach Genewy na granicy Szwajcarii i Francji, pomiędzy Jeziorem Genewskim a górskim pasmem Jury. Obecnie do organizacji należy dwadzieścia państw. CERN zatrudnia 2600 stałych pracowników oraz około 8000 naukowców i inżynierów reprezentujących ponad 500 instytucji naukowych z całego świata. Najważniejszym narzędziem ich pracy jest największy na świecie akcelerator cząstek – Wielki Zderzacz Hadronów.

Hiperony są cząstkami nietrwałymi, o czasach życia od 10 do 10 sekundy. Zazwyczaj rozpadają się na protony lub neutrony i mezony. Swobodne neutrony i mezony są cząstkami nietrwałymi, więc ulegają dalszemu rozpadowi.

Rodzaje hiperonów

Dekuplet barionowy. Grupa cząstek (barionów) o całkowitym spinie 3/2, zawierających w swoim składzie kwarki u, d i s. Sześć cząstek położonych najniżej, to hiperony.

Hiperony różnią się dziwnością i ładunkiem elektrycznym, co wynika z ich składu kwarkowego. Najlżejszy hiperon lambda (Λ) rozpada się przez oddziaływanie słabe, co wiąże się z jego względnie długim czasem życia (~10 s), który umożliwia, żeby ta cząstka mogła połączyć się z nukleonami budując twór podobny do jądra atomowego (hiperjądro). Odkryto również hiperjądra z cięższym hiperonem Σ.

Bariony – w fizyce cząstek elementarnych rodzina cząstek elementarnych silnie oddziałujących fermionów (o spinie połówkowym). Bariony są podrodziną cząstek silnie oddziałujących nazywanej hadronami. Barionem jest proton czy neutron wspólnie nazywane nukleonami.

Cząstka (korpuskuła) – w tradycyjnym znaczeniu, to każdy fragment materii, który ma kształt mniej lub bardziej zbliżony do sfery i jest na tyle mały, że nie można go zobaczyć gołym okiem.

Istnieją hiperony o symbolach Λ, Σ, Ξ oraz Ω (w kolejności wzrostu masy) i kilka ich stanów rezonansowych.

Badania nad hiperonami

Pierwsze badania dotyczące hiperonów podjęto już w latach 50. XX wieku. Badania te przyczyniły się do stworzenia przez fizyków klasyfikacji cząstek elementarnych, których odkryto w tamtym okresie bardzo wiele.

Istnienie hiperonu Ω zostało przewidziane teoretycznie, zanim został zaobserwowany. Cząstka ta posiada dziwność równą -3, więc aby mogła ona się rozpaść na proton lub neutron (cząstki te nie posiadają dziwności), musi zajść kilka słabych rozpadów z wymianą zapachu.

Pentakwark – cząstka fizyczna – hadron złożony z pięciu kwarków: czterech zwykłych i jednego antykwarka. Kwarki mogą występować tylko trójkami (trzy kwarki lub trzy antykwarki) lub dwójkami (jeden kwark i jeden antykwark). Pentakwark jest w pewnym sensie złożeniem układu trójkwarkowego z dwukwarkowym. Istnienie pentakwarku jako pierwszy przewidział polski fizyk prof. Michał Praszałowicz w 1987 roku.

Reprezentacja grupy – w teorii grup każdy homomorfizm grupy w grupę przekształceń liniowych odwracalnych ustalonej przestrzeni liniowej nad zadanym ciałem.

Teoria Murraya Gell-Manna, wiążąca znane wówczas bariony z reprezentacją grupy SU(3), przewidywała istnienie takiej właśnie cząstki. Gell-Mann opracował swoją klasyfikację cząstek w 1962 roku (nazywając ją ośmioraką ścieżką - ang. Eightfold Way), a wkrótce znalazła ona potwierdzenie. W trakcie badań przeprowadzonych w 1964 roku przy użyciu akceleratora cząstek RHIC, znajdującego się w Brookhaven National Laboratory w USA, zaobserwowano właśnie hiperony Ω.

Statystyka Fermiego-Diraca – statystyka dotycząca fermionów, cząstek o spinie połówkowym, które obowiązuje zakaz Pauliego. Zgodnie z zakazem Pauliego w danym stanie nie może znajdować się więcej niż jeden fermion.

Kwark – cząstka elementarna, fermion, posiadający ładunek koloru (czyli podlegający oddziaływaniom silnym). Według obecnej wiedzy cząstki elementarne będące składnikami materii można podzielić na dwie grupy. Pierwszą grupę stanowią kwarki, drugą grupą są leptony. Każda z tych grup zawiera po sześć cząstek oraz ich antycząstki. Istnieje więc sześć rodzajów kwarków oraz odpowiednio sześć rodzajów ich antycząstek – antykwarków.

Obecnie badania nad hiperonami prowadzone są w laboratoriach na całym świecie, m.in. w CERN-ie, laboratoriach Fermilab, SLAC, Laboratorium Jeffersona, Brookhaven National Laboratory, KEK i innych. Fizycy skupiają się na badaniach dotyczących łamania symetrii przy rozpadach, pomiaru spinu i badania stanów wzbudzonych hiperonów, oraz poszukiwaniach hipotetycznych cząstek takich jak np. pentakwark.

Proton, p <(gr.) πρῶτον – "pierwsze" (l.poj., rodz. nijaki)> - trwała cząstka elementarna z grupy barionów o ładunku +1 i masie spoczynkowej równej ok. 1 u. Protony są głównym składnikiem pierwotnego promieniowania kosmicznego. Protony wraz z neutronami (→ nukleony) tworzą jądra atomowe pierwiastków chemicznych. Liczba protonów w jądrze danego atomu jest równa jego liczbie atomowej, która z kolei jest podstawą uporządkowania atomów w układzie okresowym pierwiastków.

Spin jest to własny moment pędu cząstki w układzie w którym nie wykonuje ruchu postępowego. Własny oznacza tu taki, który nie wynika z ruchu danej cząstki względem innych cząstek, lecz tylko z samej natury tej cząstki. Każdy rodzaj cząstek elementarnych ma odpowiedni dla siebie spin. Cząstki będące konglomeratami cząstek elementarnych (np. jądra atomów) mają również swój spin będący sumą wektorową spinów wchodzących w skład jego cząstek elementarnych. Spin jest pojęciem czysto kwantowym. W mechanice klasycznej, gdy cząstka spoczywa, musi mieć zerowy moment pędu. Układ spoczynkowy istnieje tylko, gdy cząstka ma masę. Gdy cząstka jest bezmasowa (np. foton), można jedynie określić rzut spinu na kierunek propagacji cząstki. Matematycznie spin jest wielkością tensorową wynikającą z teorii kwantowej. Dokładnie jest to własność związana z tensorowym charakterem funkcji falowej, opisującej daną cząstkę, względem grupy obrotów. Np. funkcja falowa pionów może być uważana za wektor, funkcja falowa hipotetycznych grawitonów miałaby być tensorem 2. rzędu, zaś funkcja falowa elektronów jest spinorem o rzędzie 1/2.