Странные ядра


Старший научный сотрудник Дмитрий Евгеньевич Ланской
Научные интересы: странные ядра.

    Структура обычных ядер определяется взаимодействием составляющих его нуклонов (протонов и нейтронов) между собой. Это взаимодействие (ядерные силы) можно исследовать, как анализируя характеристики ядер, так и в экспериментах по нуклон-нуклонному рассеянию на ускорителях протонов. К настоящему времени ядерные силы изучены достаточно хорошо.
    Нуклон – лишь один из представителей большого мира барионов, т.е. сильновзаимодействующих частиц, обладающих барионным зарядом. Сейчас известно более сотни барионов. В частности, среди них выделяют группу гиперонов – барионов, обладающих ненулевой странностью и содержащих странные кварки. Взаимодействия гиперонов с нуклонами и между собой представляют большой интерес с точки зрения построения фундаментальной картины динамики элементарных частиц.
   
Однако изучать гиперонные взаимодействия гораздо сложнее, чем нуклонные. Время жизни гиперонов по порядку величины не превышает 10-10 с, поэтому сформировать пучок гиперонов крайне трудно. Наилучший способ изучения гиперонных взаимодействий – образовать гиперон непосредственно внутри ядра и анализировать характеристики полученной системы.
    Ядра, в состав которых, помимо нуклонов, входят гиперон или гипероны, называются гиперядрами. Иначе говоря, гиперядра – это странные ядра.
    Первое гиперядро было открыто в 1953 году при облучении фотоэмульсии космическими лучами. Бурное развитие физики гиперядер началось в 70-е годы с появлением мезонных фабрик – ускорительных комплексов, специально предназначенных для получения мощных пучков мезонов. Значительный объем гиперядерных данных получен в экспериментах по образованию гиперядер на мезонных пучках, выполненных в Лаборатории высоких энергий КЕК (Япония) и Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Позднее новый метод формирования гиперядер – в электромагнитных взаимодействиях – освоен на ускорителе электронов в Лаборатории Томаса Джефферсона (США). Образование гиперядер медленными
K-мезонами изучалось на фабрике φ-мезонов DAΦNE в Италии. Рождение гиперядер на пучках тяжелых ионов исследуется в Дармштадте (Германия). Тем не менее получение гиперядер остается сложной экспериментальной задачей. Современные установки позволяют регистрировать в лучшем случае порядка 10 гиперядер в час. Дальнейшие перспективы исследования гиперядер связаны с новыми мощными ускорительными комплексами, один из которых недавно введен в строй в Японии, а другой, как ожидается, заработает в ближайшие годы в Германии.
   
Наиболее изученными являются Λ-гиперядра – гиперядра, содержащие один Λ-гиперон. Λ-гиперон состоит из двух нестранных и одного странного кварков и имеет странность -1. При теоретическом анализе гиперядерных данных получена ценная информация о гиперон-нуклонном взаимодействии, полезная для обобщения наших представлений о ядер-ных силах на случай других барионов. Имеются интересные данные о взаимодействии Σ-гиперонов с ядрами. Начинаются систематические исследования Ξ-гиперядер.
    Если присоединить к ядру не один, а два гиперона, то становится возможным изучать взаимодействия гиперонов между собой. Образование ΛΛ-гиперядер – чрезвычайно редкий процесс, и до настоящего времени наблюдалось лишь несколько раз. Однако такие системы являются уникальным источником информации о взаимодействиях барионов, поэтому планируются новые эксперименты по поиску ΛΛ-гиперядер.

    Все многообразие существующих обычных (нестранных) ядер часто изображается на плоскости Z-N, где Z – число протонов, N – число нейтронов в ядре (см. нижнюю плоскость на рисунке). С учетом странности картина становится трехмерной. Второй «этаж» заселяют гиперядра со странностью S =-1, содержащие Λ- или Σ-гиперон. На следующем этаже пока известно всего несколько ΛΛ- и Ξ-гиперядер. Более высокие этажи (гиперядра с большой странностью) пока не заполнены. Их обнаружение –  задача будущего.