ハイペロン

ハイペロンとは

ハイペロンは、素粒子物理学におけるバリオンの一種であり、ストレンジクォークを少なくとも1つ含む粒子です。ただし、チャームクォーク、ボトムクォーク、トップクォークは含みません。つまり、ストレンジネスを持つものの、チャーム、ボトムネス、トップネスを持たないバリオンです。

ハイペロンの性質

バリオンかつフェルミオン: すべてのハイペロンはバリオンであり、同時にフェルミオンでもあります。これは、半整数のスピンを持ち、フェルミ＝ディラック統計に従うことを意味します。
強い相互作用: 強い核力を介して相互作用し、ハドロンを形成します。また、3つの軽いクォークから構成され、少なくとも1つはストレンジクォークです。
ストレンジバリオン: ストレンジクォークを含むため、ストレンジバリオンに分類されます。
弱い崩壊: パリティ非保存の弱い崩壊を起こします。
短寿命: 寿命は非常に短く、10^-10秒から10^-8秒程度です。また、質量は核子よりもわずかに重いです。
崩壊生成物: 1つの核子と、1つまたは複数の中間子に崩壊します。

ハイペロンの種類

ハイペロンには、以下の種類があります。

Σ（シグマ）粒子: Σ⁺、Σ⁰、Σ^- の3種類が存在します。静止エネルギーは約1190 MeV、寿命は約1×10^-10秒です。ただし、Σ⁰ の寿命は非常に短く、1×10^-19秒以下です。
Λ（ラムダ）粒子: Λ⁰ の1種類が存在します。静止エネルギーは約1115 MeV、寿命は約2.6×10^-10秒です。
Ξ（グザイ）粒子: Ξ⁰、Ξ^- の2種類が存在します。静止エネルギーはそれぞれ約1315 MeV、1320 MeVで、寿命は約2.9×10^-10秒、1.6×10^-10秒です。
Ω（オメガ）粒子: Ω^- の1種類が存在します。静止エネルギーは約1670 MeV、寿命は約8.2×10^-11秒です。

8重項と10重項

ハイペロンは、クォークの構成によって8重項や10重項を形成します。

8重項: sdd = Σ^-, (sud + sdu) / √2 = Σ⁰, uus = Σ⁺, dss = Ξ^-, uss = Ξ⁰, (sud - sdu) / √2 = Λ⁰
10重項: (sdd + dsd + dds) / √3 = Σ^-, (uds + sdu + usd + dsu + sud + sdu) / √6 = Σ⁰, (uus + usu + suu) / √3 = Σ⁺, (dss + sds + ssd) / √3 = Ξ^-, (uss + sus + ssu) / √3 = Ξ⁰, sss = Ω^-

崩壊反応

ストレンジネスは強い相互作用によって変換されるため、基底状態のハイペロンは強い崩壊を起こしません。しかし、弱い相互作用を通じて崩壊します。

Λ崩壊

Λ⁰ → p⁺ + π^-
Λ⁰ → n⁰ + π⁰
まれな崩壊:
Λ⁰ → p⁺ + e^- + ν_e
Λ⁰ → p⁺ + μ^- + ν_μ

Σ崩壊

Σ⁺ → p⁺ + π⁰
Σ⁺ → n⁰ + π⁺
Σ⁰ → Λ⁰ + γ
Σ^- → n⁰ + π^-

Ξ崩壊

Ξ⁰ → Λ⁰ + π⁰
Ξ^- → Λ⁰ + π^-

Ξ粒子は、カスケードハイペロンとも呼ばれます。これは、Λ⁰への崩壊を経てπ^±を放出する二段階のカスケード崩壊を起こすためです。

Ω^-崩壊

Ω^-は、バリオン数+1、超電荷-2、ストレンジネス-3を持ちます。多重フレーバー変換の弱い崩壊を起こし、陽子または中性子へと崩壊します。マレー・ゲルマンのSU(3)モデルはこの粒子の存在、質量、そして弱い崩壊の可能性を予測しました。

Ω^- → Ξ⁰ + π^-
Ξ⁰ → Λ⁰ + π⁰
Λ⁰ → p⁺ + π^-

ハイペロンの研究

ハイペロンは通常の原子核には含まれないため、原子核内でパウリの排他原理の制約を受けません。そのため、ハイペロンを使って原子核の内部を探ることが可能です。ハイペロン-核子相互作用を研究することで、強い相互作用の性質を理解することができます。ハイパー核を作成し、そのエネルギー準位を調べることで、この相互作用の研究が行われています。

ハイペロンの研究は1950年代に始まり、現在ではCERN、フェルミラボ、SLAC、JLAB、ブルックヘブン国立研究所、KEKなどの世界中の多くの施設でデータ収集が行われています。研究テーマには、CP対称性の破れの探索、スピンの計測、励起状態の研究、ペンタクォークやダイバリオンのようなエキゾチック状態の探索などが含まれます。