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ハイパー核は、従来の原子核に似ていますが、通常の陽子と中性子に加えて、少なくとも 1 つのハイペロンが含まれています。ハイペロンは、強い相互作用と電磁相互作用によって保存される、ゼロ以外のストレンジネス量子数を持つ重粒子のカテゴリです。
さまざまな反応により、原子核に1つ以上のストレンジネス単位を蓄積することができます。最も軽いハイペロンであるラムダ（Λ）を含むハイパー核は、通常の核よりも強く結合する傾向がありますが、弱い力によって崩壊し、平均寿命は約200 ps。シグマ（Σ）ハイパー核や、 xi重粒子（Ξ）または2つのΛを 含む二重ストレンジ核が求められています。
命名法
ハイパー核は、通常の核と同様に、原子番号と重粒子数、および記号の左下付き文字でリストされるハイペロンで命名される。ただし、原子番号は、陽子だけでなく、Ξマイナス（Ξ − ）などの荷電ハイペロンを含むハイパー核の全電荷として解釈される。たとえば、ハイパー核16
Λお
8個の陽子、7個の中性子、および1個のΛ（電荷を持たない）を含む。[1]
歴史
最初の発見は、1952年にマリアン・ダニスとイェジー・プニエフスキが、宇宙線にさらされた原子核乾板を用いて、その高エネルギーだが遅延した崩壊に基づいて行った。この事象は、Λ重粒子を含む原子核破片によるものと推測された。[2] 1970年代まで、宇宙線を使用して、また後には粒子加速器からのパイオン（π）とカオン（K）ビームを使用して、乳剤中で生成されたハイパー核を研究する実験が続けられた。[1]
1980年代以降、パイオンビームとカオンビームを使用したより効率的な生成方法により、CERN、ブルックヘブン国立研究所、KEK、DAφNE、JPARCなどのさまざまな加速器施設でさらなる研究が可能になりました。[3] [4] 2010年代には、ALICEやSTARなどの重イオン実験により、クォークグルーオンプラズマからのハドロン化によって形成された軽いハイパー核の生成と測定が初めて可能になりました。[5]
プロパティ
ハイパー核物理学は、ハイペロンが4つの核子スピンとアイソスピンと区別できるため、通常の核物理学とは異なります。つまり、単一のハイペロンはパウリの排他原理によって制限されず、最低のエネルギーレベルまで沈むことができます。[6]そのため、ハイパー核は、通常の核よりも小さく、より強く結合していることがよくあります。[7]たとえば、リチウムハイパー核7
Λ李
通常の原子核6 Liより19%小さい。[8] [9]しかし、ハイペロンは弱い力によって崩壊する可能性があり、自由Λの平均寿命は263 ± 2ps であり、Λハイパー核のそれは通常それよりわずかに短い。[10]
非ストレンジの通常核とストレンジハイパー核の両方に対して開発された一般化された質量式は、Λ、ΛΛ、Σ、およびΞハイペロンを含むハイパー核の質量を推定できます。[11] [12]ハイパー核の中性子と陽子のドリップラインが予測され、通常の中性子と陽子のドリップラインを超えたいくつかのエキゾチックハイパー核の存在が示唆されています。[7]この一般化された質量式は、ボトヴィナとポホザラによって「サマンタ式」と名付けられ、重イオン衝突におけるハイパー核の相対的な生成量を予測するために使用されました。[13]
種類
Λハイパー核
最も単純で、最もよく理解されているタイプのハイパー核には、最も軽いハイペロン、Λのみが含まれます。[6]
2つの核子は仮想パイ中間子を介した核力によって相互作用することができるが、Λはパイ中間子を放出するとΣ重粒子になるので[a] 、Λ–核子相互作用はη中間子やω中間子などのより質量の大きい中間子によってのみ媒介されるか、2つ以上の中間子の同時交換によって媒介される。[15]これは、Λ–核子相互作用が標準的な核力よりも弱く、範囲が短く、原子核内のΛのポテンシャル井戸は核子よりも浅いことを意味する。[16]ハイパー核では、Λポテンシャルの深さは約30 MeVである。[17]しかし、Λ–核子相互作用における1つのパイ中間子の交換は、ハイパー核内のΛとΣ重粒子の量子力学的混合を引き起こす（これは自由空間では起こらない）、特に中性子過剰ハイパー核で顕著である。[18] [19] [20]さらに、 Λと2つの核子の間の3体力は、核子における3体相互作用よりも重要であると予想される。これは、Λは2つのパイ中間子を仮想Σ中間体と交換できるのに対し、核子における同等のプロセスには比較的重いデルタバリオン（Δ）中間体が必要であるためである。[15]
他のハイペロンと同様に、Λハイパー核は弱い相互作用によって崩壊し、より軽い重粒子に変化して中間子またはレプトン-反レプトン対を放出する。自由空間では、Λは通常、弱い力によって陽子とπ中間子、または中性子とπ 0に崩壊し、全半減期は263 ± 2 ps。[21]ハイパー核内の核子は弱い力によってΛを崩壊させ、パイ中間子を放出しない。この過程は重いハイパー核ではパイ中間子放出崩壊モードの抑制により支配的になる。[22]ハイパー核内のΛの半減期はかなり短く、約215 ± 14 ps付近56
Λ鉄
, [23]しかし、いくつかの経験的測定は、互いに、あるいは理論的予測と実質的に矛盾している。[24]
ハイパートリトン
最も単純なハイパー核はハイパートリトン（3
ΛH
）は、1つの陽子、1つの中性子、および1つのΛハイペロンから構成されています。このシステムのΛは非常に緩く結合しており、分離エネルギーは130 keV、半径は10.6 fmと大きく、[25]約重陽子の場合は2.13 fm。[26]
この緩い結合は、自由Λと同様の寿命を意味する。しかし、測定されたハイパートリトンの寿命は、すべての実験で平均すると（約206+15
−13 ps）は理論予測よりも大幅に短く、非中間子崩壊モードは比較的小さいと予想されるため、いくつかの実験結果はこの平均よりも大幅に短いか長い。[27] [28]
Σハイパー核
Σ重粒子を含むハイパー核の存在は明らかではない。1980年代初頭のいくつかの実験では、Λ分離エネルギーを超える束縛ハイパー核状態が報告され、わずかに重いΣ重粒子の1つを含むと推定されたが、10年後の実験ではそのような状態の存在は否定された。[6]電磁力によって原子核に束縛されたΣ −を含むエキゾチック原子の結果では、中型および大型ハイパー核でΣ-核子相互作用が正味反発することがわかった。これは、そのような質量範囲ではΣハイパー核が存在しないことを意味する。[6]しかし、1998年の実験では、軽いΣハイパー核が決定的に観測された。4
シグマ彼
[6 ]
ΛΛハイパー核とΞハイパー核
2つのΛ重粒子を含むハイパー核が作られている。しかし、このようなハイパー核は2つのストレンジクォークを含むため生成が非常に難しく、2016年現在[アップデート]、候補となるΛΛハイパー核は7つしか観測されていない。[29] Λ-核子相互作用と同様に、経験的および理論的なモデルでは、Λ-Λ相互作用は軽度の引力であると予測されている。[30] [31]
Ξ重粒子を含むハイパー核が知られている。[要出典]経験的研究と理論モデルは、Ξ –陽子相互作用は引力であるが、Λ – 核子相互作用よりも弱いことを示している。[30] Σ –や他の負に帯電した粒子と同様に、Ξ –もエキゾチック原子を形成することができる。Ξ – がエキゾチック原子またはハイパー核に束縛されると、ストレンジクォークを陽子と交換することで、ΛΛハイパー核または2つのΛハイパー核に急速に崩壊し、自由空間に約29 MeVのエネルギーを放出する。[b]
- Ξ − + p → Λ + Λ [33] [34] [25]
Ωハイパー核
オメガ重粒子（Ω）を含むハイパー核は、2018年に格子QCDを用いて予測された。特に、陽子-ΩおよびΩ-Ωダイバリオン（2つの重粒子を含む結合系）は安定であると予想される。[35] [36] 2022年現在[アップデート]、そのようなハイパー核はいかなる条件下でも観測されていないが、そのような最も軽い種は重イオン衝突で生成される可能性があり、[37] STAR実験による測定は陽子-Ωダイバリオンの存在と一致している。[38]
より奇妙さを増したハイパー核
Λ は電気的に中性で、その核力相互作用は引力であるため、核子を持たない種を含む、高ストレンジネスと小さな正味電荷を持つ任意に大きなハイパー核が存在すると予測される。多重ストレンジハイパー核のバリオンあたりの結合エネルギーは、特定の条件下では最大 21 MeV/ Aに達することがある[7] 。これに対し、通常の原子核62 Niでは8.80 MeV/ Aである。[39]さらに、Λ がない場合とは異なり、パウリの排他原理により核子とのストレンジネスの交換は不可能であるため、Ξ バリオンの形成はすぐにエネルギー的に有利になるはずである。[40]
生産
通常の原子核を衝撃してハイパー原子核を作るための、いくつかの製造方法が考案されています。
奇妙さの交換と生産
K中間子を生成する一つの方法は、ストレンジクォークを核子と交換してΛ中間子に変えることである。[41]
- p + K − → Λ + π 0
- n + K − → Λ + π −
ハイパー核形成断面積は、 K中間子ビームの運動量が約500MeV/ cのときに最大になります。[42]この設定にはいくつかのバリエーションがあり、その中には、入射K中間子を原子核と衝突する前に静止させるものも含まれています。[41]
稀に、入射する K − が次の反応によって Ξ ハイパー核を生成することもあります。
- p + K − → Ξ − + K + [43]
同等のストレンジネス生成反応はπ +中間子が中性子と反応してΛ中間子に変化する反応である。[44]
- n + π + → Λ + K +
この反応はビーム運動量が1.05 GeV/ cのときに最大断面積を持ち、Λハイパー核の最も効率的な生成経路であるが、ストレンジネス交換法よりも大きなターゲットを必要とする。[44]
弾性散乱
陽子からの電子散乱により、陽子はΛに変化し、K +が生成される。[45]
- p + e − → Λ + e − ’ + K +
ここで、プライム記号は散乱電子を表す。電子ビームのエネルギーはパイ中間子やカ中間子ビームよりも簡単に調整できるため、ハイパー核エネルギーレベルの測定と較正が容易になる。[45]この方法は1980年代に理論的に予測され、2000年代初頭に初めて実験的に使用された。[46]
ハイペロン捕獲
原子核によるΞ −重粒子の捕獲により、 Ξ −エキゾチック原子またはハイパー核が形成されることがある。[33]捕獲されると、ΛΛ ハイパー核または 2 つの Λ ハイパー核に変化する。[47]欠点は、Ξ −重粒子を単独のストレンジハドロンよりもビームにするのが難しいことである。[48]しかし、2020 年に開始されるJ-PARCでの実験では、散乱した Ξ −重粒子をエマルジョンターゲットに降らせる同様の非ビームセットアップを使用して、Ξ ハイパー核と ΛΛ ハイパー核に関するデータを収集する予定である。[33]
重イオン衝突
類似種
K中間子核
K中間子は、カオン水素などのエキゾチック原子の原子核を周回することができる。[49]カオン水素におけるK – 陽子の強い相互作用は反発的であるが、 [ 50 ] K –原子核の相互作用はより大きな系では引力となるため、この中間子はハイパー原子核に密接に関連する強い束縛状態に入ることができる。[6]特に、K –陽子-陽子系は実験的に知られており、通常の原子核よりも強く束縛されている。[51]
チャームドハイパー核
チャームクォークを含む原子核は1977年以来理論的に予測されており、[52]ストレンジクォークが存在しない可能性があるにもかかわらず、チャームハイパー核として説明されています。 [53]特に、最も軽いチャームバリオンであるΛ cおよび Σ cバリオン[c]は、チャームハイパー核内で束縛状態に存在すると予測されており、ハイパー核の作成に使用されるプロセスと類似したプロセスで生成される可能性があります。[53]核物質のΛ cポテンシャルの深さは 58 MeV と予測されていますが、[53] Λ ハイパー核とは異なり、正に帯電した Λ c を含むより大きなハイパー核は、クーロン反発により、対応する Λ ハイパー核よりも安定性が低くなります。[54] Λ cと Σ cの質量差は、
Σ+
はは大きすぎるため、ハイパー核内でこれらの重粒子の顕著な混合は起こりません。[55]チャームハイパー核の弱い崩壊は、崩壊過程で放出されるエネルギーがΛ重粒子の質量に匹敵するため、通常のハイパー核に比べて強い相対論的補正があります。 [56]
反ハイパー核
2024年8月、STARコラボレーションは、 1つの反陽子、2つの反中性子、および1つの反ハイペロンからなる、知られている中で最も重い反物質核である反ハイペロン4の観測を報告した。[57] [58] [59]
反ラムダハイペロン[60]と反ハイパートリトン[61]も以前に観測されている。
参照
- ストレンジレット、ストレンジクォークも含む仮説上の物質形態
注記
- ^ アイソスピン（I）は、システムのアップクォークとダウンクォークの含有量を表す数値であり、強い相互作用でも保存されます。パイオンのアイソスピンは1であるため、Λ重粒子（I = 0 ）はパイオンを放出するとΣ（I = 1 ）になる必要があります。 [14]
- ^ 最初の陽子とΞの質量はそれぞれ約938.3 MeVと1321.7 MeVで、放出されるΛの質量はそれぞれ約1115.7 MeVです。[32]放出されるエネルギーは失われる質量（c 2倍）に等しい。
- ^ チャーム重粒子の記号の下付き文字cは、ハイペロン内のストレンジクォークがチャームクォークに置き換えられていることを示します。上付き文字がある場合は、重粒子の全電荷を表します。
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