ハイペロンとは？ストレンジクォークを含むバリオンの定義・性質・崩壊

ハイペロンとは何か？ストレンジクォークを含むバリオンの定義・性質・崩壊を図解と最新実験結果で分かりやすく解説。Λハイペロンや寿命、弱崩壊・CP問題も網羅。

ハイペロンはクォークからなる粒子です。他のバリオン（3つのクォークでできている粒子）と違うのは、少なくとも1つの奇妙なクォークを持っていなければならないが、チャームクォークやボトムクォークは持っていないということです。簡単に言えば、ハイペロンとは「ストレンジ（奇妙）クォークを含むバリオン」を指します。

定義と分類

ハイペロンはストレンジクォークを1個以上含むバリオンで、代表的な種類には以下のものがあります：

• Λ（ラムダ）ハイペロン — クォーク組成は u d s（uds）。電荷は0で、しばしばΛ⁰と表されます。
• Σ（シグマ） — Σ⁺（u u s）、Σ⁰（u d s）、Σ⁻（d d s）など。
• Ξ（カスケード、またはパイ） — Ξ⁰（u s s）、Ξ⁻（d s s）。
• Ω⁻（オメガ） — s s s（3つのストレンジクォーク）。基底状態でスピン3/2を持つ代表例です。

ストレンジクォークは「ストレンジネス（S）」という量子数を持ち、通常ストレンジクォーク1個につきS = −1が割り当てられます（よってΛはS = −1、ΩはS = −3）。ハイペロンはチャームやボトムを含まないため、チャーム量子数やボトム量子数は0です。

スピンと量子数

すべてのクォークはフェルミオンであり（すなわちパウリの排他原理に従い、同一状態の重複を避ける）、各クォークは1/2のスピンを持ちます。3つの1/2スピンを組み合わせたとき、ハイペロン全体のスピンは半整数（1/2 や 3/2）を取り得ます。多くのハイペロンの基底状態は総スピン1/2ですが、Ω⁻のように基底で3/2を持つものもあります。ハイペロンのパリティや内在するフレーバー対称性（SU(3)フレーバー）に関する情報は、質量や崩壊の様式から実験的に決定されます。

崩壊様式と寿命

ストレンジクォークを含む多くのハイペロンは、強い相互作用ではストレンジネスを変化させられないため、直接的な強い崩壊ができないケースが多く、結果として主に弱い力で崩壊します。このため、ハイペロンの寿命は典型的な強い相互作用過程よりもはるかに長くなります。

例えば、Λ（Λ⁰）ハイペロンは電荷が0で、Λ(ラムダ)ハイペロンは0の電荷を持ち、これが崩壊すると、通常は1つの陽子と1つのイオンが生成されます（正確には負のパイ中間子 π−）。Λ⁰はまた、中性子と無荷電のパイ中間子（π⁰）に崩壊することもありますが、確率は低めです。Λ⁰ハイペロンの平均寿命は約 2.6×10⁻¹⁰ 秒で、比較的長寿命のハイペロンの一つです。

弱い崩壊は複数の崩壊チャネル（最終生成物の組み合わせ）を持ち得ます。崩壊確率（分岐比）は実験で精密に測定され、標準模型や対称性の検証に利用されます。

実験での検出と応用

ハイペロンは加速器実験や宇宙線観測で生成され、トラック検出器やバブルチェンバー、近年のシリコン検出器などで崩壊生成物を追跡することで同定されます。Λのような中性のハイペロンは、崩壊点が原点から離れて現れる“V字”（V0）トポロジーとして検出されることが多いです。

科学者たちは今でも、CERN、フェルミラボ、SLACなど、世界中の研究室でハイペロンを研究しています。ハイペロンの崩壊は、CP対称性の破れ（ハドロン系におけるCP違反）や弱軸相互作用の構造、クォーク混合（CKM行列）の精密測定、低エネルギーでの強い相互作用（非摂動的QCD）の理解など、多くの基礎物理問題に貢献しています。たとえば、ハイペロンと反ハイペロンの崩壊で生じる角度分布や偏極の差を調べることで、微小なCP非対称性を探すことができます。

理論面での重要性

ハイペロンはSU(3)フレーバー対称性（八重極・十重極分類）やハドロン質量分裂の理解、節点間相互作用（強い相互作用下での構造）を検証するテストベッドとなります。また、ハイペロンの半寿命・分岐比・角度分布などの高精度測定は、理論モデルや格子QCDの計算と比較して理論の精度向上に寄与します。

まとめると、ハイペロンはストレンジクォークを含むバリオンであり、その特異な崩壊様式と比較的長い寿命、豊富な種類により、素粒子物理学の理論・実験の双方で重要な役割を果たしています。興味深い未解決問題（例えばハイペロン系での微細なCP違反の有無や弱崩壊過程の詳細）を解くために、現在も多くの実験が行われています。

質問と回答

Q:ハイペロンとは何ですか?

Q:ストレンジネスとは何ですか?

Q:ハイペロンの組み合わせは何種類あるのですか?

Q:ハイペロンの組み合わせの例としてどのようなものがありますか?

Q: Λ0ハイペロンの平均寿命は?

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