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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 p...

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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 poseen un número cuántico de extrañeza distinto de cero , el cual se conserva mediante las interacciones fuertes y electromagnéticas .

Diversas reacciones permiten depositar una o más unidades de extrañeza en un núcleo. Los hipernúcleos que contienen el hiperón más ligero, el lambda (Λ), tienden a estar más fuertemente ligados que los núcleos normales, aunque pueden desintegrarse mediante la fuerza débil con una vida media de aproximadamente200 ps  . Se han buscado hipernúcleos sigma (Σ), así como núcleos doblemente extraños que contienen xi bariones (Ξ) o dos Λ.

Nomenclatura

Los hipernúcleos se nombran en función de su número atómico y número bariónico , como en los núcleos normales, más el/los hiperón(es) que se indican como subíndice izquierdo del símbolo, con la salvedad de que el número atómico se interpreta como la carga total del hipernúcleo, incluyendo hiperones cargados como el xi menos (Ξ − ) y los protones. Por ejemplo, el hipernúcleo 16 Λ O 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 desintegración energética pero retardada. Se infirió que este evento se debía a un fragmento nuclear que contenía un barión Λ. [ 2 ] Los experimentos continuaron hasta la década de 1970 estudiando los 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, incluyendo el CERN , el Laboratorio Nacional de Brookhaven , KEK , DAφNE y JPARC . [ 3 ] [ 4 ] En la década de 2010, 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 a partir de plasma de quarks y gluones . [ 5 ]

Propiedades

La física hipernuclear difiere de la de los núcleos normales porque un hiperón es distinguible del espín e isospín de cuatro nucleones . Es decir, un solo hiperón no está restringido por el principio de exclusión de Pauli y puede descender al nivel de energía más bajo . [ 6 ] Por lo tanto, los hipernúcleos suelen ser más pequeños y estar más fuertemente ligados que los núcleos normales; [ 7 ] por ejemplo, el hipernúcleo de litio 7 Λ Li es un 19 % más pequeño que el núcleo normal 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 el de un hipernúcleo Λ suele ser ligeramente más corto. [ 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 los hipernúcleos y se sugiere la existencia de algunos hipernúcleos exóticos más allá de las líneas de goteo normales de neutrones y protones. [ 7 ] Esta fórmula de masa generalizada fue denominada "fórmula de Samanta" por Botvina y Pochodzalla y se utilizó para predecir los rendimientos relativos de los hipernúcleos en colisiones de iones pesados. [ 13 ]

Tipos

Hipernúcleos Λ

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 aproximadamente 30 MeV . [ 17 ] Sin embargo, el intercambio de un pión en la interacción Λ–nucleón causa una mezcla cuántico-mecánica de los bariones Λ y Σ en hipernúcleos (lo que no ocurre 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 Σ virtual, mientras que el proceso equivalente en los nucleones requiere un intermedio bariónico delta (Δ) relativamente pesado. [ 15 ] 

Como todos los hiperones, los hipernúcleos Λ pueden desintegrarse mediante la interacción débil , que lo 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 fuerza débil en un protón y un mesón π– , o un neutrón y un π⁰ , con una vida media total de263 ± 2 ps  . [ 21 ] Un nucleón en el hipernúcleo puede causar que el Λ se desintegre a través de la fuerza débil sin emitir un pión; este proceso se vuelve dominante en los hipernúcleos pesados, debido a la supresión del modo de desintegración con emisión de piones. [ 22 ] La vida media del Λ en un hipernúcleo es considerablemente más corta, estabilizándose en aproximadamente215 ± 14  ps cerca de 56 Λ Fe , [ 23 ] pero algunas mediciones empíricas discrepan sustancialmente entre sí o con las predicciones teóricas. [ 24 ]

Hipertritón

El hipernúcleo más simple es el hipertritón ( 3ΛH ) , que consta de un protón, un neutrón y un hiperón Λ. El Λ en este sistema está muy débilmente ligado, con una energía de separación de 130  keV y un gran radio de 10,6 fm , [ 25 ] en comparación con aproximadamente 2.13  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 que 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 ]

Hipernúcleos Σ

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 contener 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 − ligado 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 masa. [ 6 ] Sin embargo, un experimento en 1998 observó definitivamente el hipernúcleo Σ ligero 4 Σ He . [ 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 habían observado siete candidatos a hipernúcleos ΛΛ. [ 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. 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 con carga negativa, el Ξ– también puede formar un átomo exótico. Cuando un Ξ– está ligado en un átomo exótico o un hipernúcleo, se desintegra rápidamente en un hipernúcleo ΛΛ o en dos hipernúcleos Λ intercambiando un quark extraño con un protón, lo que libera aproximadamente 29 MeV de energía en el espacio libre: [ b ] 

Ξ − + p → Λ + Λ [ 33 ] [ 34 ] [ 25 ]

Ω hipernúcleos

En 2018 se predijeron hipernúcleos que contienen el barión omega (Ω) utilizando QCD en la red ; en particular, se espera que los dibariones protón-Ω y Ω-Ω (sistemas ligados que contienen dos bariones) sean estables. [ 35 ] [ 36 ] A partir de 2022, no se han observado tales hipernúcleos bajo ninguna condición, pero la especie más ligera de este tipo podría 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 la existencia de hipernúcleos arbitrariamente grandes con alta extrañeza y pequeña carga neta, incluyendo especies sin nucleones. La energía de enlace por barión en hipernúcleos multiextraños puede alcanzar hasta 21  MeV/ A bajo ciertas condiciones, [ 7 ] en comparación con 8,80  MeV/ A para el núcleo ordinario 62Ni . [ 39 ] Además, la formación de bariones Ξ debería volverse energéticamente favorable rápidamente, 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 métodos de producción para crear hipernúcleos mediante el bombardeo de núcleos normales.

Intercambio y producción de rarezas

Un método para producir un mesón K − intercambia un quark extraño con un nucleón y lo cambia a 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 aproximadamente 500  MeV/ c . [ 42 ] Existen varias variantes de esta configuración, incluidas algunas en las que los kaones incidentes se detienen antes de colisionar con un núcleo. [ 41 ]

En casos excepcionales, el K − entrante puede producir en cambio un hipernúcleo Ξ mediante la reacción:

p + K − → Ξ − + K + [ 43 ]

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

n + π + → Λ + K +

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

Dispersión elástica

La dispersión de electrones por un protón puede cambiarlo a un Λ y producir un K + : [ 45 ]

p + mi − → Λ + mi − ′ + K +

donde el símbolo prima 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 hipernucleares. [ 45 ] Predicho inicialmente de forma teórica en la década de 1980, este método se utilizó experimentalmente por primera vez a principios de la década de 2000. [ 46 ]

Captura de Hyperon

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

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 experimentalmente conocido y está más fuertemente ligado que un núcleo normal. [ 51 ]

Hipernúcleos encantados

Se han predicho teóricamente núcleos que contienen un quark encanto 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 + c es demasiado grande para que ocurra una mezcla apreciable de estos bariones en los hipernúcleos. [ 55 ] Las desintegraciones débiles de los 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.Λ¯4H¯{\displaystyle {}_{\bar {\boldsymbol {\Lambda }}}{}^{\bf {4}}{\bar {\bf {H}}}}consta de un antiprotón , dos antineutrones y un antihiperón . [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]

El hiperón anti-lambdaΛ¯{\displaystyle {\bar {\Lambda }}}[ 60 ] y el antihipertritonΛ¯3H¯{\displaystyle {}_{\bar {\Lambda }}{}^{3}{\bar {\rm {H}}}}[ 61 ] también se han observado previamente.

Véase también

  • Strangelet , una forma hipotética de materia que también contiene quarks extraños.

Notas

  1. ↑ El isospín ( I ), un número que describe el contenido de quarks arriba y abajo 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 un 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 encantador; el superíndice, si está presente, sigue representando la carga total del barión.

Referencias

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