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Hipernúcleo

Un hipernúcleo es similar a un núcleo atómico convencional , pero contiene al menos un hiperón además de los protones y neutrones normales . Los hiperones son una categoría de partículas bariónicas que tienen un número cuántico de extrañeza distinto de cero , que se conserva mediante las interacciones electromagnéticas y fuertes .

Una variedad de reacciones permiten depositar una o más unidades de rareza en un núcleo. Los hipernúcleos que contienen el hiperón más ligero, el lambda (Λ), tienden a estar más fuertemente unidos que los núcleos normales, aunque pueden desintegrarse mediante la fuerza débil con una vida media de alrededor de 1000 años.200  ps . Se han buscado hipernúcleos sigma (Σ), así como núcleos doblemente extraños que contengan xi bariones (Ξ) o dos Λ.

Nomenclatura

Los hipernúcleos se nombran en términos de su número atómico y número bariónico , como en los núcleos normales, más el hiperón o los hiperones que se enumeran en un subíndice izquierdo del símbolo, con la salvedad de que el número atómico se interpreta como la carga total del hipernúcleo, incluidos los hiperones cargados como el xi menos (Ξ − ), así como los protones. Por ejemplo, el hipernúcleo16
ΛOh
contiene 8 protones, 7 neutrones y un Λ (que no tiene carga). [1]

Historia

El primero fue descubierto por Marian Danysz y Jerzy Pniewski en 1952 utilizando una placa de emulsión nuclear expuesta a rayos cósmicos , basándose en su enérgica pero retardada desintegración. Se infirió que este evento se debía a un fragmento nuclear que contenía un barión Λ. [2] Los experimentos hasta la década de 1970 continuarían estudiando hipernúcleos producidos en emulsiones utilizando rayos cósmicos, y más tarde utilizando haces de piones (π) y kaones (K) de aceleradores de partículas . [1]

Desde la década de 1980, métodos de producción más eficientes que utilizan haces de piones y kaones han permitido una mayor investigación en varias instalaciones de aceleradores, incluidos CERN , Brookhaven National Laboratory , KEK , DAφNE y JPARC . [3] [4] En la década de 2010, los experimentos de iones pesados ​​como ALICE y STAR permitieron por primera vez la producción y medición de hipernúcleos ligeros formados a través de la hadronización del plasma de quarks y gluones . [5]

Propiedades

La física hipernuclear difiere de la de los núcleos normales porque un hiperón se distingue de los cuatro nucleones de espín e isospín . Es decir, un solo hiperón no está restringido por el principio de exclusión de Pauli y puede hundirse hasta el nivel de energía más bajo. [6] Como tal, los hipernúcleos suelen ser más pequeños y están más estrechamente unidos que los núcleos normales; [7] por ejemplo, el hipernúcleo de litio7
ΛLi
es un 19% más pequeño que el núcleo normal de 6 Li. [8] [9] Sin embargo, los hiperones pueden decaer a través de la fuerza débil ; la vida media de un Λ libre es263 ± 2  ps , y la de un hipernúcleo Λ suele ser ligeramente más corta. [10]

Una fórmula de masa generalizada desarrollada tanto para los núcleos normales no extraños como para los hipernúcleos extraños puede estimar las masas de los hipernúcleos que contienen hiperones Λ, ΛΛ, Σ y Ξ. [11] [12] Se predicen las líneas de goteo de neutrones y protones para hipernúcleos y se sugiere la existencia de algunos hipernúcleos exóticos más allá de las líneas de goteo de neutrones y protones normales. [7] Botvina y Pochodzalla denominaron a esta fórmula de masa generalizada "fórmula de Samanta" y la utilizaron para predecir los rendimientos relativos de los hipernúcleos en colisiones de iones pesados. [13]

Tipos

Λ hipernúcleos

El tipo de hipernúcleo más simple y mejor comprendido incluye solo el hiperón más ligero, el Λ. [6]

Mientras que dos nucleones pueden interactuar a través de la fuerza nuclear mediada por un pión virtual , el Λ se convierte en un barión Σ al emitir un pión, [a] por lo que la interacción Λ–nucleón está mediada únicamente por mesones más masivos como los mesones η y ω , o a través del intercambio simultáneo de dos o más mesones. [15] Esto significa que la interacción Λ–nucleón es más débil y tiene un alcance más corto que la fuerza nuclear estándar, y el pozo de potencial de un Λ en el núcleo es menos profundo que el de un nucleón; [16] en hipernúcleos, la profundidad del potencial Λ es de aproximadamente 30  MeV . [17] Sin embargo, el intercambio de un pión en la interacción Λ–nucleón causa una mezcla mecánico-cuántica de los bariones Λ y Σ en hipernúcleos (lo que no sucede en el espacio libre), especialmente en hipernúcleos ricos en neutrones. [18] [19] [20] Además, se espera que la fuerza de tres cuerpos entre un Λ y dos nucleones sea más importante que la interacción de tres cuerpos en los núcleos, ya que el Λ puede intercambiar dos piones con un intermedio virtual Σ, mientras que el proceso equivalente en nucleones requiere un intermedio bariónico delta (Δ) relativamente pesado. [15]

Como todos los hiperones, los hipernúcleos Λ pueden desintegrarse mediante la interacción débil , que los transforma en un barión más ligero y emite un mesón o un par leptón -antileptón. En el espacio libre, el Λ generalmente se desintegra mediante la interacción débil en un protón y un mesón π – o en un neutrón y un π 0 , con una vida media total de263 ± 2  ps . [21] Un nucleón en el hipernúcleo puede hacer que el Λ se desintegra a través de la fuerza débil sin emitir un pión; este proceso se vuelve dominante en hipernúcleos pesados, debido a la supresión del modo de desintegración por emisión de piones. [22] La vida media del Λ en un hipernúcleo es considerablemente más corta, y se estabiliza en aproximadamente215 ± 14 ps cerca56
ΛFé
, [23] pero algunas mediciones empíricas difieren sustancialmente entre sí o con las predicciones teóricas. [24]

Hipertritón

El hipernúcleo más simple es el hipertritón (3
Λyo
), que consta de un protón, un neutrón y un hiperón Λ. El Λ en este sistema está muy débilmente ligado, tiene una energía de separación de 130 keV y un radio grande de 10,6  fm , [25] en comparación con aproximadamente2.13 fm para el deuterón . [26]

Esta unión débil implicaría una vida útil similar a la de un Λ libre. Sin embargo, la vida útil del hipertritón medida promediada en todos los experimentos (aproximadamente206+15
−13 ps ) es sustancialmente más corto de lo predicho por la teoría, ya que se espera que el modo de desintegración no mesónico sea relativamente menor; algunos resultados experimentales son sustancialmente más cortos o más largos que este promedio. [27] [28]

Σ hipernúcleos

La existencia de hipernúcleos que contienen un barión Σ es menos clara. Varios experimentos a principios de la década de 1980 informaron estados hipernucleares ligados por encima de la energía de separación Λ y presumieron que contenían uno de los bariones Σ ligeramente más pesados, pero experimentos posteriores en la década descartaron la existencia de tales estados. [6] Los resultados de átomos exóticos que contienen un Σ − unido a un núcleo por la fuerza electromagnética han encontrado una interacción Σ–nucleón repulsiva neta en hipernúcleos de tamaño mediano y grande, lo que significa que no existen hipernúcleos Σ en ese rango de masas. [6] Sin embargo, un experimento en 1998 observó definitivamente el hipernúcleo ligero Σ4
ΣÉl
. [6]

Hipernúcleos ΛΛ y Ξ

Se han creado hipernúcleos que contienen dos bariones Λ. Sin embargo, estos hipernúcleos son mucho más difíciles de producir debido a que contienen dos quarks extraños y, hasta 2016 , solo se han observado siete hipernúcleos ΛΛ candidatos. [29] Al igual que la interacción Λ–nucleón, los modelos empíricos y teóricos predicen que la interacción Λ–Λ es ligeramente atractiva. [30] [31]

Se conocen hipernúcleos que contienen un barión Ξ. [ cita requerida ] Estudios empíricos y modelos teóricos indican que la interacción Ξ – –protón es atractiva, pero más débil que la interacción Λ–nucleón. [30] Al igual que el Σ – y otras partículas cargadas negativamente, el Ξ – también puede formar un átomo exótico. Cuando un Ξ – está ligado a un átomo exótico o a un hipernúcleo, se desintegra rápidamente en un hipernúcleo ΛΛ o en dos hipernúcleos Λ intercambiando un quark extraño con un protón, lo que libera alrededor de 29 MeV de energía en el espacio libre: [b]

Ξ − + p → Λ + Λ [33] [34] [25]

Hipernúcleos Ω

En 2018 se predijeron hipernúcleos que contenían el barión omega (Ω) utilizando QCD en red ; en particular, se espera que los dibariones protón-Ω y Ω-Ω (sistemas ligados que contienen dos bariones) sean estables. [35] [36] Hasta 2022 , no se han observado tales hipernúcleos bajo ninguna condición, pero las especies más ligeras de este tipo podrían producirse en colisiones de iones pesados, [37] y las mediciones del experimento STAR son consistentes con la existencia del dibarión protón-Ω. [38]

Hipernúcleos con mayor extrañeza

Dado que el Λ es eléctricamente neutro y sus interacciones de fuerza nuclear son atractivas, se predice que habrá hipernúcleos arbitrariamente grandes con alta extrañeza y pequeña carga neta, incluidas especies sin nucleones. La energía de enlace por barión en hipernúcleos multiextraños puede alcanzar hasta 21 MeV/ A en ciertas condiciones, [7] en comparación con 8,80 MeV/ A para el núcleo ordinario 62 Ni . [39] Además, la formación de bariones Ξ debería volverse rápidamente favorable energéticamente, a diferencia de cuando no hay Λ, porque el intercambio de extrañeza con un nucleón sería imposible debido al principio de exclusión de Pauli. [40]

Producción

Se han ideado varios modos de producción para crear hipernúcleos mediante el bombardeo de núcleos normales.

Intercambio y producción de extrañezas

Un método para producir un mesón K − intercambia un quark extraño con un nucleón y lo transforma en un Λ: [41]

p + K − → Λ + π 0
n + K − → Λ + π −

La sección transversal para la formación de un hipernúcleo se maximiza cuando el momento del haz de kaones es de aproximadamente 500 MeV/ c . [42] Existen varias variantes de esta configuración, incluidas aquellas en las que los kaones incidentes se detienen antes de colisionar con un núcleo. [41]

En casos raros, el K − entrante puede producir en cambio un hipernúcleo Ξ a través de la reacción:

p + K − → Ξ − + K + [43]

La reacción de producción de extrañeza equivalente implica que un mesón π + reacciona con un neutrón para transformarlo en un Λ: [44]

n + π + → Λ + K +

Esta reacción tiene una sección transversal máxima con un momento de haz de 1,05 GeV/ c y es la ruta de producción más eficiente para hipernúcleos Λ, pero requiere objetivos más grandes que los métodos de intercambio de extrañeza. [44]

Dispersión elástica

La dispersión de electrones de un protón puede transformarlo en un Λ y producir un K + : [45]

p + mi − → Λ + mi − ′ + K +

donde el símbolo primo denota un electrón disperso. La energía de un haz de electrones se puede ajustar más fácilmente que la de los haces de piones o kaones, lo que facilita la medición y calibración de los niveles de energía hipernuclear. [45] Inicialmente predicho teóricamente en la década de 1980, este método se utilizó por primera vez de manera experimental a principios de la década de 2000. [46]

Captura de Hyperon

La captura de un barión Ξ − por un núcleo puede generar un átomo exótico Ξ − o un hipernúcleo. [33] Tras la captura, se transforma en un hipernúcleo ΛΛ o en dos hipernúcleos Λ. [47] La ​​desventaja es que es más difícil convertir el barión Ξ − en un haz que los hadrones extraños individuales. [48] Sin embargo, un experimento en J-PARC que comenzó en 2020 recopilará datos sobre hipernúcleos Ξ y ΛΛ utilizando una configuración similar, sin haz, en la que los bariones Ξ − dispersos llueven sobre un objetivo de emulsión. [33]

Colisiones de iones pesados

Especies similares

Núcleos kaónicos

El mesón K puede orbitar un núcleo en un átomo exótico, como en el hidrógeno kaónico . [49] Aunque la interacción fuerte K – -protón en el hidrógeno kaónico es repulsiva, [ 50] la interacción K – –núcleo es atractiva para sistemas más grandes, por lo que este mesón puede entrar en un estado fuertemente ligado estrechamente relacionado con un hipernúcleo; [6] en particular, el sistema K – –protón-protón es conocido experimentalmente y está más estrechamente ligado que un núcleo normal. [51]

Hipernúcleos encantados

Los núcleos que contienen un quark charm se han predicho teóricamente desde 1977, [52] y se describen como hipernúcleos encantados a pesar de la posible ausencia de quarks extraños. [53] En particular, se predice que los bariones encantados más ligeros, los bariones Λ c y Σ c , [c] existen en estados ligados en hipernúcleos encantados, y podrían crearse en procesos análogos a los utilizados para hacer hipernúcleos. [53] Se predice que la profundidad del potencial Λ c en la materia nuclear es de 58 MeV, [53] pero a diferencia de los hipernúcleos Λ, los hipernúcleos más grandes que contienen el Λ c cargado positivamente serían menos estables que los hipernúcleos Λ correspondientes debido a la repulsión de Coulomb . [54] La diferencia de masa entre el Λ c y el
Σ+
ces demasiado grande para que se produzca una mezcla apreciable de estos bariones en hipernúcleos. [55] Las desintegraciones débiles de hipernúcleos encantados tienen fuertes correcciones relativistas en comparación con las de los hipernúcleos ordinarios, ya que la energía liberada en el proceso de desintegración es comparable a la masa del barión Λ. [56]

Antihipernúcleos

En agosto de 2024, la Colaboración STAR informó de la observación del núcleo de antimateria más pesado conocido, el antihiperhidrógeno-4, que consta de un antiprotón , dos antineutrones y un antihiperón . [57] [58] [59]

El anti-lambda hiperón [60] y el antihipertritón [61] también se han observado previamente.

Véase también

Notas

  1. ^ El isospín ( I ), un número que describe el contenido de quarks up y down del sistema, se conserva en la interacción fuerte. Dado que el isospín de un pión es 1, el barión Λ ( I = 0 ) debe convertirse en Σ ( I = 1 ) al emitir un pión. [14]
  2. ^ El protón inicial y Ξ – tienen masas respectivas de aproximadamente 938,3 y 1321,7 MeV, mientras que los Λ salientes son cada uno de aproximadamente 1115,7 MeV; [32] la energía que se libera es igual a la cantidad de masa que se pierde (por c 2 ).
  3. ^ El subíndice c en los símbolos de los bariones encantados indica que un quark extraño en un hiperón es reemplazado por un quark encantado; el superíndice, si está presente, todavía representa la carga total del barión.

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