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物理學家發現罕見「超核」的證據 — 一種奇異物質的成份

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),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,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,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,有一個中子)以及氚(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,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),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。科學家們偵測到這種特殊的介子就等同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)中質子的數量從三個減為一個,並產生氫。

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)。

資料來源:PHYSORG:Physicists discover evidence of rare hypernucleus, a component of strange matter[February 17, 2012]

轉載自only-perception

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