(от греч. hyper - сверх, выше), тяжёлые нестабильные элементарные частицы с массой, большей массы нуклона (протона и нейтрона), обладающие барионным зарядом и большим временем жизни по сравнению с 'ядерным временем' (~ 10-23 сек ). Известно несколько типов Г.: лямбда (L0), сигма (S-, S0, S+), кси (X-, X0), омега (W-) [значки -, 0, + справа сверху у символа частиц означают соответственно отрицательно заряженную, нейтральную и положительно заряженную частицы]. Все Г. имеют спин 1/2, кроме W-, спин которого, согласно теоретическим представлениям, должен, быть равен 3/2 (т. е. Г. являются фермионами ). Г. участвуют в сильных взаимодействиях , т. е. принадлежат к классу адронов. Время жизни Г. порядка 10-10 сек (за исключением S0, который, по-видимому, имеет время жизни порядка 10-20 сек ); за это время они распадаются на нуклоны и лёгкие частицы (p-мезоны, электроны, нейтрино).
Г. (L0) были открыты в космических лучах английскими физиками Рочестером и Батлером в 1947, однако убедительные доказательства существования Г. были получены к 1951. Детальное и систематическое изучение Г. стало возможным после того, как их начали получать на ускорителях заряженных частиц высокой энергии при столкновениях быстрых нуклонов, p-мезонов и К-мезонов с нуклонами атомных ядер.
Открытие Г. существенно расширило физические представления об элементарных частицах, поскольку были впервые открыты частицы с массой, большей нуклонной, и установлена новая важнейшая характеристика элементарных частиц - странность . Введение странности понадобилось для объяснения ряда парадоксальных (с точки зрения существовавших представлений) свойств Г. Интенсивное рождение Г. при столкновении адронов высокой энергии с несомненностью свидетельствовало о том, что они обладают сильным взаимодействием. С другой стороны, если бы распад Г. вызывался сильным взаимодействием, их время жизни должно было бы составлять по порядку величины 10-23 сек , что в 1013 раз (на 13 порядков) меньше установленного на опыте. Время жизни Г. можно объяснить, если считать, что их распад происходит за счёт слабого взаимодействия , относительная интенсивность которого в этой области энергий как раз на 12-14 порядков меньше сильного (а следовательно, время распада во столько же раз больше). Парадоксом казалось то, что частицы, обладающие сильным взаимодействием, не могут распадаться с помощью этого взаимодействия.
Важное значение для разрешения этого парадокса имел тот факт, что при столкновении p-мезонов и нуклонов с нуклонами Г. всегда рождаются совместно с К-мезонами ( рис. 1 ), в поведении которых обнаруживаются те же странности, что и у Г. Особенности поведения Г. и К-мезонов были объяснены в 1955 Гелл-Маном и Нишиджимой существованием особой характеристики адронов - странности (S), которая сохраняется в процессах сильного и электромагнитного взаимодействий. Если приписать К+- и К0-мезонам странность S +1, а L-Г. и S-Г. - равное по величине и противоположное по знаку значение странности, S - 1, и считать странность p-мезонов и нуклонов равной нулю, то сохранение суммарной странности частиц в сильных взаимодействиях объясняет и совместное рождение L- и S-Г. с К-мезонами, и невозможность распада частиц с неравной нулю странностью (такие частицы получили название странных частиц) с помощью сильных взаимодействий на частицы с нулевой странностью. При этом X Г., которые рождаются совместно с двумя К-мезонами, следует приписать S -2, а W-Г. - странность S - 3 . Распады Г. указывают на то, что процессы, обусловленные слабыми взаимодействиями, протекают с изменением странности. Рис. 2 иллюстрирует процессы сильного и слабого взаимодействия Г.
Согласно современной теории элементарных частиц, каждому Г. должна соответствовать античастица , отличающаяся от своего Г. знаком электрического и барионного зарядов и странности. Все антигипероны наблюдались на опыте; последним был открыт (1971) антиомега-Г. , или W+ ( рис. 3 ).
Сильное взаимодействие Г . Помимо сохранения странности, сильные взаимодействия Г. обладают определенной симметрией, называется изотопической инвариантностью . Эта симметрия была установлена ранее для нуклонов и p-мезонов и проявляется в том, что частицы группируются в некоторые семейства - изотонические мультиплеты [(р, n) и (p-, p0, p+), где р означает протон, а n - нейтрон]. Частицы, входящие в определенный изотопический мультиплет, одинаково участвуют в сильном взаимодействии, имеют почти равные массы и отличаются лишь электромагнитными характеристиками (электрическими зарядами, магнитными моментами). Число частиц в изотопическом мультиплете характеризуется специальным квантовым числом - изотопическим спином I и равно 2 I + 1 . Г. образуют 4 изотопических мультиплета (см. табл.).
Таблица гиперонов
L-гиперон (синглет)
S-гиперон (триплет)
X-гиперон (дуплет)
W-гиперон (синглет)
Состав изотопического мультиплета
L |
S+
S0
S-
X0
X-
W-
Масса, Мэв
1115,6
1189,4
1192,5
1197,3
1314,7
1321,3
1672,4
Изотонический спин I
0
1
1/2
0
Странность S
-1
-1
-2
-3
Время жизни, сек
2,52T10-10
0,80T10-10
По теоретическим оценкам 10-20
1,49T10-10
3,03T10-10
1,66T10-10
1,3T10-10
Основные схемы распада*
L-|{
r+p-
S+-{
r+p0
S0-L0+g
S0- n+p-
X0-L0+p0
X0-L0+p-
W-{
X0+p-
X-+p0
n+p0
n+p+
L0+K-
* В таблице не указаны распады гиперонов с испусканием лептонов; они составляют по порядку величины доли процента от основных способов распада.
Предположение о существовании изотопических мультиплетов Г. позволило Гелл-Ману и Нишиджиме предсказать существование S0 и X0 до их экспериментального открытия.
Г. L, S, X по ряду своих свойств аналогичны нуклонам. Эта аналогия послужила исходным пунктом в поисках симметрии сильных взаимодействий, более широкой, чем изотопическая инвариантность. Наибольший успех при этом имела т. н. унитарная симметрия (SU3-симметрия), на основе которой была создана систематика адронов. С помощью этой симметрии удалось, например, предсказать существование и свойства W-Г. (см. Элементарные частицы ).
Распады Г . Основные способы распада Г. указаны в табл. Распады Г. подчиняются следующим закономерностям: 1) DS 1 - странность изменяется по абсолютной величине на единицу: исключение составляет распад S0 на L0 и фотон, S0 - L0 + g , протекающий за счёт электромагнитного взаимодействия (отсюда и время жизни S0 должно быть ~ 10-20 сек , а не 10-10 сек ) и поэтому не сопровождающийся изменением странности. Этот закон запрещает прямой распад Õ-Г. на нуклон и p-мезоны, т.к. при таком распаде странность изменилась бы на две единицы. Распад Õ-Г. происходит в два этапа: X - L0 + p; L0 - N + p (где N означает нуклон). Поэтому Õ-Г. называют каскадным. Каскадные распады претерпевают также W-Г.
2)DQ DS - в распадах с испусканием лептонов изменение заряда Q адронов равно изменению странности S . Этот закон запрещает, например, распад S+ - n + m+ + n (m+ - положительный мюон, n - нейтрино).
3) D I 1/2 - изотопический спин меняется на 1/2. Это правило позволяет объяснить соотношения между вероятностями различных наблюдаемых способов распада Г.
При взаимодействии быстрых частиц с ядрами могут возникать гипер-ядра , в которых один или несколько нуклонов в результате сильного взаимодействия превратились в Г.
Лит.: Гелл-Манн М., Розенбаум П. Е., Элементарные частицы, в кн.: Элементарные частицы, пер. с англ., М., 1963 (Над чем думают физики, в. 2); Эдер Р. К., Фаулер Э. К., Странные частицы, пер. с англ., М., 1966; Фриш Д., Торндайк А., Элементарные частицы, пер. с англ., М., 1966.
Л . Г . Ландсберг .