Предсказано стабильное ядро с двумя странными кварками

Добавление экзотической частицы, известной как Xi-гиперон (кси-гиперон, Ξ-гиперон), к ядру гелия с тремя нуклонами может привести к образованию временно стабильного ядра, предсказывают физики из RIKEN.

Этот результат поможет экспериментаторам получить более глубокое представление как о квантовой физике, так и о структуре нейтронных звезд.

Нормальные атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, которые все вместе известны как нуклоны. Каждый протон и нейтрон состоят из трех кварков. Кварки бывают шести типов: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Но протоны и нейтроны состоят только из верхних и нижних кварков.

Физики давно интересовались гиперядрами — ядрами, которые содержат один или несколько гиперонов, в которых по меньшей мере один из трех кварков является странным кварком. Хотя на объектах ядерной физики было создано лишь несколько гиперядер, они дают ценную информацию о загадках ядер.

«Стандартные ядра определяются тем, сколько протонов и нейтронов они содержат, и это все. По сути, они двумерные», — говорит Такуми Дои из RIKEN. «Гипероны предлагают нам дополнительное измерение благодаря количеству странных кварков — это позволяет нам глубже понять ядро, например, взаимодействия, которые делают ядро ​​стабильным».

Большинство исследований было сосредоточено на гиперонах, содержащих только один странный кварк. Но также возможны гипероны с двумя странными кварками, известные как кси-гипероны. К настоящему времени создано одно гиперядро, содержащее кси-гиперон и 14 нуклонов.

Ученые подозревали, что могут существовать более легкие гиперядра, содержащие кси-гиперон, и они выполнили вычисления взаимодействия между кси-гипероном и нуклоном на суперкомпьютере RIKEN, чтобы выяснить это.

Их результаты предсказывают, что гиперядро, состоящее из трех нормальных нуклонов и одного гиперона Xi, должно быть достаточно стабильным, чтобы его можно было получить в экспериментах. По их расчетам, это самое легкое из гиперядер, содержащий кси-гиперон.

Их результаты оказались неожиданными, поскольку они сильно отличались от результатов, полученных с помощью аппроксимации (научный метод, состоящий в замене одних объектов другими, в каком-то смысле близкими к исходным, но более простыми).

«Мы предсказали, что взаимодействие будет притягивающим, когда кси-гиперон и нуклон находятся в определенном состоянии, тогда как приблизительный подход оценивает, что соответствующий потенциал будет отталкивающим», — говорит Такуми Дои. «Так что эти результаты очень разные».

Результаты не только дадут экспериментаторам цель, к которой они стремятся, они также дадут информацию для исследований нейтронных звезд.

Нейтронные звезды — это чрезвычайно плотные остатки крупных звезд, которые разрушились под действием собственной гравитации и подверглись вспышкам сверхновых. Процессы внутри нейтронных звезд могут обеспечить условия, при которых могут существовать гиперядра, содержащие Xi-гипероны.

E. Hiyama et al. Possible Lightest Ξ Hypernucleus with Modern ΞN Interactions, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.092501