Физики зафиксировали редкое гиперядро с двумя странными кварками

Физики зафиксировали процесс с образованием короткоживущего гиперядра, содержащего два странных кварка. Они использовали пучок каонов, чтобы вызвать рождение Ξ-гиперонов в алмазной мишени, а после пропускали гипероны через фотоэмульсионный материал, позволяющий отследить треки частиц. В обнаруженном событии впервые удалось однозначно определить энергию связи Ξ-гиперона с ядром азота. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Обычные ядра состоят из нуклонов: протонов и нейтронов, взаимодействующих посредством ядерных сил. Физики достаточно хорошо изучили эти взаимодействия, анализируя характеристики ядер и проводя эксперименты по нуклон-нуклонному рассеянию. Но нуклоны — лишь малая часть всех барионов, то есть частиц, состоящих из трех кварков.

Другая группа барионов — гипероны, содержащие странные кварки. Изучение нуклон-гиперонных взаимодействий — важная задача современной физики. Считается, что это может пролить свет на внутреннее устройство нейтронных звезд. Эти космические объекты примерно в десять раз плотнее атомных ядер, и существует предположение, что в их недрах нейтронам становится энергетически выгодно превращаться в гипероны.

Однако гипероны живут всего около 10^-10 секунд, а потом распадаются, поэтому изучить их взаимодействия гораздо сложнее, чем нуклонные. Наилучший способ сделать это — образовать гиперон внутри ядра и работать с получившейся системой. Ядра, содержащие гипероны, называются гиперядрами. Физики уже собрали достаточно много информации о гиперядрах со странностью −1, содержащих один Λ-гиперон, при этом о ядрах со странностью −2 (Ξ- и ΛΛ-гиперядра) информации все еще очень мало. Было обнаружено всего около десятка событий, идентифицированных как процессы с участием Ξ-гиперядер.

20 лет назад в эксперименте BNL E885 ученые оценили глубину потенциальной ямы притяжения гиперона к ядру, используя потенциал Вудса-Саксона. Они получили значение около 14 мегаэлектронвольт, что соответствует энергии связи гиперона с ядром 4,5 мегаэлектронвольт. Позднее в японской лаборатории КЕК зафиксировали распад Ξ-гиперядра. Событие назвали KISO. Процесс удалось однозначно идентифицировать как реакцию Ξ⁻+¹⁴N→¹⁰_ΛBe+⁵_ΛHe⁠.

Недавно коллаборация J-PARC E07 под руководством Шухея Хаякавы (Shuhei Hayakawa) сообщила о наблюдении еще одного события с образованием Ξ-гиперядра. Ученые направили пучок каонов в алмазную мишень. В результате столкновений в мишени образовались Ξ-гипероны. Затем эти гипероны попали в эмульсионные модули — стопки фотографических листов, содержащие два листа толщиной 380 микрометров и 11 листов толщиной один миллиметр. На листах отображались треки частиц.

Всего использовали 118 эмульсионных модулей, которые подверглись воздействию 1,13 × 10¹¹ каонов. Ожидалось, что в эмульсии остановится 10⁴ гиперонов, и это приведет к образованию примерно 100 гиперядер со странностью −2. В итоге было зарегистрировано всего одно подходящее событие.

Событие назвали IBUKI. Ученые проанализировали треки частиц и для каждой вершины определили все возможные моды распада. Из всех ядер эмульсии только кислород, углерод и азот учитывались как ядра, способные захватить Ξ− гиперон.

По законам сохранения энергии и импульса физики рассчитали, что в эксперименте произошла реакция Ξ⁻+¹⁴N→¹⁰_ΛBe+⁵_ΛHe, такая же, как в событии KISO. При этом в KISO возможна двойственная трактовка результатов. Получившееся значение энергии связи составляет 3,87 мегаэлектронвольт, если предположить, что гиперядро бериллия образовалось в основном состоянии, и 1,03 мегаэлектронвольт, если считать, что в возбужденном.

В случае события IBUKI значение энергии связи получилось низким — 1,27 мегаэлектронвольт. Это говорит о том, что гиперядра бериллия образовались в одном из основных состояний, образующих дублет. Событие IBUKI стало первым процессом, который позволил однозначно определить энергию связи Ξ-гиперона с ядром азота.