http://www.physorg.com/news/2012-02-physicists-evidence-rare-hypernucleus-component.html
By Lisa Zyga, February 17, 2012
(PhysOrg.com) -- 義大利物理學家發現罕見原子核的首個證據，該原子核不存在於自然界中而且在衰變前的壽命只有 10^-10 秒。它是某種類型的超核（hypernucleus），那如同所有的原子核，包含中子與質子的各種搭配。但不同於一般原子核，超核至少含有一個超子（hyperon，一種由三個夸克所組成的粒子）、至少包含一個奇夸克（strange quark）。超核被認為形成奇異物質（strange matter）的核心，那也許存在於宇宙遙遠的部份，也可能允許物理學家探測原子核的內部。
在這裡所研究的特殊超核稱為「hydrogen six Lambda，6ΛH」，其存在首度於 1963 年被預言。現在，一項發表於最近一期 Physical Review Letters 的研究中，在義大利 Frascati，INFN-LNF，FINUDA 實驗中工作的物理學家，報告發現這種粒子的首例證據。FINUDA 合作計畫對數百萬次事件進行分析，最後證明其中有三次是罕見的超核。
奇特性質
一如其名所指，6ΛH 是某一大類氫原子核，那由六種粒子所組成：四個中子，一個質子與一個 Lambda（Λ） 超子。因為一個普通氫核內含一個質子但無中子，而包含一個或更多中子的氫核有時被稱為「重氫」。最常見的重氫類型是氘（deuterium，那有一個中子）以及氚（那有二個中子）。因為 6ΛH 有四個中子加上一個 L 超子，物理學家稱之為「重超氫（heavy hyperhydrogen）」。
L 超子，分別由一個上、下與奇夸克組成，做了一件比 6ΛH 更有趣的事：它使它的壽命從 10^-22 秒（沒有 L 的 5H 超核核心壽命）增加到 10^-10 秒。當科學家首度在 1947 年發現 L 超子時，他們就觀察到類似情況：這種「奇異」物體的壽命比先前的預測還更長。那次觀測導致「奇夸克」存在的想法，認為它具有奇怪的特性導致夸克能活這麼久。
偵測
沒有 L 超子，物理學家不太可能直接觀察到具有四個中子的氫核，因為如此沈重的同位素非常難以製造，而且壽命也很短。另一種超核，4ΛH，那具有二個中子而非四個，在類似實驗中比 6ΛH 更易製造，而且已被偵測過許多次。但 6ΛH 的偵測證據則困難許多。由 FINUDA 合作計畫所分析的 2700 萬次碰撞事件，代表大約連續一整年不斷針對一項橫跨數年的實驗進行資料擷取。理論上來說，6ΛH 的形成機率比 4ΛH 至少小 100 倍。
FINUDA 實驗位於 INFN-LNF 的 DAFNE 對狀機二個交互作用點的其中一個。如 Elena Botta（該研究的一位領導合作者）的解釋，DAFNE 製造電子與正電子束。當這些射束幾乎對頭撞上時，它們產生 phi（Φ） 介子（meson），那有五成機率會衰變成帶電荷的 K 介子與反 K 介子。
FINUDA 的交互作用點包含一個八角稜鏡，在側邊上有八個目標。當反 K 介子與八個目標之一當中的鋰原子核交互作用時，可同時產生一個 6ΛH 超核以及一個具有特殊能量的 π+ 介子。若科學家們偵測到這種特殊的介子，他們就已偵測到一種奇異原子核形成的跡象。如 Botta 的解釋，6ΛH 製造涉及一種二階段機制，以便將鋰同位素（6Li）中光子的數量從三個減為一個，那產生氫。
一旦產生了，富含中子的 6ΛH 超核在目標內減慢，並在 10^-10 秒後衰變成 π- 介子，與一個 6He 核。π- 介子亦有特殊能量，且科學家能輕易偵測到它以便賦予這次衰變特徵（signature）。所以 6ΛH 超核的形成與衰變都能藉由搜尋具有這些特殊 π+ 與 π- 介子存在的事件而被偵測到。
奇異物質
身為 6ΛH 超核的第一個證據，這些結果能闡明奇異物質。有人提出假說，表示那存在於超稠密中子星的中央。物理學家希望藉由製造奇核系統（strange nuclear systems）以更進一步研究奇異物質。
"超核可被詮釋為奇異物質的核心，" Botta 表示。"尤其是，製造出包含二個 Λ 粒子之奇核系統的可能性，將允許我們研究奇異粒子之間的交互作用。"
超核也能成為研究原子核結構當前模型的有用工具，在其中，質子與中子被排列成一種穩定的配置。
"相較於一般原子核，超核有個奇夸克這項事實，確實賦予它有趣的特性，因為它允許成份 L 粒子成為一種探針，那能非常深入原子核，以測試賦予原子核意義之單粒子殼層模型（single particle shell model）的敘述，" Botta 說。"在這方面，超核物理的研究讓我們能夠獲得以其他方法無法直接取得的資訊。"
她補充表示，另一種具有大中子對質子比例的超核有可能存在於某種穩定狀態中，即便一般來說，富含中子的原子核在理論上是不穩定的。富含中子的超核似乎會是一種例外，這是因為它們改變原子核的結構並增加其壽命。
接下來，一場將在 Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) 進行的實驗裡，物理學家計畫研究 6ΛH 以及其他四種富含中子的超核，例如鋰 10 Lambda （10ΛLi）。
※ 相關報導：
＊ Evidence for Heavy Hyperhydrogen Λ6H
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.108.042501
M. Agnello et al. (FINUDA Collaboration)＊ 氦-8 研究賦予核能理論、中子星洞見
Phys. Rev. Lett. 108, 042501 (2012) [5 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.108.042501
＊ 特大號的碳-22
＊ 物理學家創造奇異的「反超粒子」
＊ 「質子更小」震撼物理學界台灣團隊有功
＊ 時間反演：一個簡單的粒子能揭開新物理學
沒有留言:
張貼留言