Outous

Outous (engl. strangeness) (S) on hiukkasfysiikassa alkeishiukkasiin liittyvä kvanttiluku. Se säilyy vahvassa ja sähkömagneettisessa, mutta ei heikossa vuorovaikutuksessa.^[1]

Outo kvarkki

Kvarkkiteoriassa yksi kvarkeista on nimeltään outo kvarkki (engl. strange quark) ja sitä vastaava antikvarkki outo antikvarkki (engl. strange antiquark}. Oudon kvarkin outous on -1, oudon antikvarkin +1, muiden kvarkkien 0. Kvarkeista muodostuneiden hiukkasten kuten baryonien ja mesonien outous voidaan määritellä siinä olevien outojen antikvarkkien ja outojen kvarkkien lukumäärien erotuksena:^[2]

${\displaystyle S=-(n_{s}-n_{\overline {s}})}$,

missä ${\displaystyle \scriptstyle n_{\overline {s}}}$ on outojen antikvarkkien ja ${\displaystyle \scriptstyle n_{s}\ }$ outojen kvarkkien lukumäärä.

Käsitteen historia

Termit outous ja outo hiukkanen olivat käytössä jo ennen kvarkkimallin keksimistä. Käsitteen ottivat käyttöön Murray Gell-Mann ja Kazuhiko Nishijima selittääkseen, miksi joitakin hiukkaslajeja kuten kaoneja ja hyperoneja syntyy helposti hiukkastörmäyksissä, mutta ne hajoavat paljon hitaammin kuin niiden suuren massan ja niiden syntyyn liittyvän suuren vaikutusalan perusteella voitiin odottaa. Koska tällaisia hiukkasia syntyi aina pareittain, oletettiin, että niihin oli lisättävä uusi suure, outous, joka säilyi niiden syntyessä, mutta ei niiden hajotessa.

Sekä baryonit että mesonit voidaan ryhmitellä "perheisiin", joista kuhunkin kuuluvilla hiukkasilla on lähes yhtä sama massa, mutta eri suuri varaus. Kummassakin ryhmässä näistä yhtä voidaan pitää "perus­perheenä", jonka baryonien joukossa muodostavat nukleonit eli protoni ja neutroni, mesonien joukossa taas pionit. Kullekin perheelle on määritettävissä varaus­keski­piste eli perheeseen kuuluvien hiukkasten suurimman ja pienimmän varauksen keskipiste. Esimerkiksi pionien varaukset ovat -1, 0 ja +1, joten tämän perheen varaus­keski­piste on 0; nukleonien varaukset taas ovat +1 ja 0, joten niiden muodostaman perheen varaus­keski­piste on +1. Outous määriteltiin alkujaan kunkin perheen ja vastaavan perus­­perheen varaus­keski­pisteen erotuksena kerrottuna kahdella.^[3] Esimerkiksi sigma-baryonien varaukset ovat -1, 0 ja +1, on näiden muodostaman perheen varaus­keski­piste 0. Tämän ja nukleonien muodostaman perusperheen varaus­keski­pisteiden erotus on -1/2, joka kahdella kerrottuna on -1; niinpä sigma-baryonien outous on -1.

Kvarkkimallin tullessa tunnetuksi osoittautui, että perusperheen hiukkaset sisälsivät vain u- ja d-kvarkkeja, mesonit myös niiden antikvarkin, muiden perheiden hiukkaset sen sijaan myös yhden tai useamman s-kvarkin eli oudon kvarkin, samaan perheeseen kuuluvat aina yhtä monta outoa kvarkkia. Täten ilmeni, että outouden alkuperäinen määritelmä, sellaisten hiukkasten osalta, joissa on vain u-, d- ja s-kvarkkeja, oli yhtäpitävä edellä esitetyn, outojen kvarkkien ja antikvarkkien lukumäärään perustuvan määritelmän kanssa. Alkuperäistä määritelmää ei kuitenkaan voida soveltaa sellaisiin vasta myöhemmin löydettyihin hiukkasiin, joissa on myös c- (lumo), b- tai t-kvarkkeja.

Säilymislaki

Outouden säilymislaki pätee vahvassa ja sähkömagneettisessa, mutta ei heikossa vuorovaikutuksessa. Tämän vuoksi keveimmät hiukkaset, joissa on outo kvarkki, eivät voi hajota vahvalla vaan ainoastaan sitä paljon hitaammalla heikolla vuorovaikutuksella. Useimmissa tapauksissa niiden hajotessa outous muuttuu yhdellä yksiköllä, mutta kaonien hajotessa tästä on poikkeuksiakin.

Eri hiukkasten outoudet

Spin 3/2 -baryonit kvarkkien yhdistelminä. Ylimmällä rivillä olevien baryonien outous on 0, toisella rivillä -1, kolmannella -2 ja alimpana olevalla -3.

Spin 1/2 -baryonit kvarkkien yhdistelminä. Ylimmällä rivillä olevien baryonien (protonin ja neutronin) outous on 0, toisella rivillä olevien -1, kolmannella -2.

Spin-0 -mesonit kvarkkien yhdistelminä. Ylimmällä rivillä olevien mesonien outous on +1, keskimmäisellä rivillä 0 ja alimmalla rivillä -1.

Seuraavassa luettelossa ovat mukana vain eräät tärkeimmät hiukkaset, joissa ei ole muita kuin u-, d- ja s-kvarkkeja.

Baryonit

Baryoneissa ei ole antikvarkkeja. Näin ollen niiden outous on määritelmän mukaan s-kvarkkien eli outojen kvarkkien lukumäärän vastaluku ja on aina negatiivinen tai nolla. Niitä vastaavien antibaryonien outous on sama kuin niissä olevien s-antikvarkkien eli outojen antikvarkkien lukumäärä.

Baryonit, joiden spin on 1/2:

• Outous 0 (perusperhe, ei s-kvarkkeja):
  • protoni (p) ja neutroni (n)
• Outous -1 (yksi s-kvarkki):
  • Sigma-baryonit (Σ^-, Σ⁰) ja Σ⁺),
  • Lambda (Λ)
• Outous -2 (kaksi s-kvarkkia):
  • Ksii-baryonit (Ξ^- ja Ξ⁰)

Baryonit, joiden spin on 3/2

• Outous 0 (ei s-kvarkkeja): Delta-baryonit (Δ^-, (Δ⁰), (Δ⁺) ja (Δ²⁺)
• Outous -1 (1 s-kvarkki): Sigma-baryonit (Σ^*-, Σ^*0 ja Σ^*+)
• Outous -2 (2 s-kvarkkia): Ksii-baryonit (Ξ^*- ja Ξ^*0)
• Outous -3 (3 s-kvarkkia): Omega-miinus (Ω)^-

Mesonit

Mesonit koostuvat yhdestä kvarkista ja yhdestä antikvarkista. Mesonin outous on 0, jos siinä ei ole s-kvarkkia eikä s-antikvarkkia tai siinä ovat ne molemmat, muutoin -1, jos siinä on s-kvarkki ja +1, jos siinä on s-antikvarkki.

• Outous 0:^[4]
  • pionit π^-, π⁰ ja π^-).
  • eta-hiukkaset η⁰ ja η¹⁰
• Outous +1:
  • kaonit K⁰ ja K⁺
• Outous -1:
  • antikaonit K₀, K^-

Lähteet

1. Griffths, David: Introduction To Elementary Particles, s. 32. Wiley, 1987. ISBN 0-471-60386-4 (englanniksi)
2. Martin, B.R. & Shaw G.: Particle Physics, s. 32. Wiley, 2003. ISBN 0-471-97285-1 (englanniksi)
3. Lahti, Leena: ”Säilymislait”, Kvanttifysiikka, s. 216. Gaudeamus, 1977. ISBN 951-662-086-8
4. Raitio, Risto (toim.): ”Kvarkit”, Alkeishiukkasten maailma, Kvarkeista aikojen alkuun, s. 93. Suomen Fyysikkoseura, Tähtitieteellinen yhdistys Ursa, 1980. ISBN 951-9269-13-4