Каон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Као́н (или K-мезо́н, обозначается K) — мезон, содержащий один странный антикварк и один u- или d-кварк (антикаоны, напротив, содержат один странный кварк и один u- или d-антикварк). Каоны — самые лёгкие из всех странных (то есть имеющих ненулевое квантовое число, называемое странностью) адронов.

Основные свойства[править | править исходный текст]

Существуют четыре каона с определённой массой:

  1. Отрицательно заряженный K (содержащий s-кварк и u-антикварк) имеет массу 493,667(16) МэВ и время жизни 1,2380(21)·10−8 секунд.
  2. Его античастица, положительно заряженный K+ (содержащий u-кварк и s-антикварк) согласно CPT-симметрии должен иметь массу и время жизни, равные соответственно массе и времени жизни K. Экспериментально измеренная разность масс составляет 0,032(90) МэВ, то есть совместима с нулем. Разность во времени жизни также нулевая (экспериментальный результат: Δτ=0,11(9)·10−8 секунды).
  3. K0 (содержащий d-кварк и s-антикварк) имеет массу 497,614(24) МэВ.
  4. Его античастица \mathrm{\bar{K}^0} (содержащая s-кварк и d-антикварк) имеет такую же массу.

Из кварковой модели ясно, что каоны формируют два изоспиновых дублета; то есть они принадлежат к фундаментальному представлению группы SU(2), называемому 2. Один дублет со странностью +1 и изоспином +1/2 содержит K+ и K0. Античастицы формируют второй дублет со странностью −1 и изоспином −1/2.

Частица Символ Анти-
частица
Кварковый
состав частицы
Спин и чётность, J^{\pi} Масса
МэВ/c²
S C B Время жизни
с
Распадается на Примечания
Заряженный
каон
\mathrm{K^+} \mathrm{K^-} \mathrm{u\bar{s}} Псевдоскаляр (0) 493,667(16) +1 0 0 1,24·10−8 μ+νμ
или π+0
или π++
или π0+e+e
Нейтральный
каон
\mathrm{K^0} \mathrm{\bar{K}^0} \mathrm{d\bar{s}} Псевдоскаляр (0) 497,614(24) +1 0 0 слабый распад см. ниже Сильное собственное состояние — нет определённого времени жизни
Короткоживущий
каон
\mathrm{K_S^0} \mathrm{K_S^0} \mathrm{\frac{d\bar{s} - s\bar{d}}{\sqrt{2}}} Псевдоскаляр (0) 497,614(24) (*) 0 0 0,89·10−10 π+ + π
или 2π0
Слабое собственное состояние — состав указывает на нарушение CP-инвариантности
Долгоживущий
каон
\mathrm{K_L^0} \mathrm{K_L^0} \mathrm{\frac{d\bar{s} + s\bar{d}}{\sqrt{2}}} Псевдоскаляр (0) 497,614(24) (*) 0 0 5,2·10−8 π±+ee
или π±μ
или 3π0
или π+0
Слабое собственное состояние — состав указывает на нарушение CP-инвариантности

Хотя K0 и его античастица \mathrm{\bar{K}^0} обычно появляются в результате сильного взаимодействия, они распадаются посредством слабого взаимодействия. Следовательно, их можно рассматривать как композицию двух слабых собственных состояний, которые имеют очень различные времена жизни:

  1. Долгоживущий нейтральный каон, обозначаемый KL («K-long»), обычно распадается на три пиона и имеет время жизни 5,18·10−8 секунд.
  2. Короткоживущий нейтральный каон, обозначаемый KS («K-short»), обычно распадается на два пиона и имеет время жизни 8,958·10−11 секунд.

(См. обсуждение смешивания нейтральных каонов ниже.)

Эксперименты 1964 г., показавшие, что KL редко распадается на два пиона, привели к открытию нарушения CP-инвариантности (см. ниже).

Основные варианты распада для K+:

  1. \mu^+\nu_\mu (лептонный, коэффициент ветвления BR = 63,55(11)%);
  2. \pi^+\pi^0 (адронный, BR = 20,66(8)%);
  3. \pi^+\pi^+\pi^- (адронный, BR = 5,59(4)%);
  4. \pi^0e^+\nu_e (полулептонный, BR = 5,07(4)%);
  5. \pi^0\mu^+\nu_{\mu} (полулептонный, BR = 3,353(34)%);
  6. \pi^+\pi^0\pi^0 (адронный, BR = 1,761(22)%).

Странность[править | править исходный текст]

Открытие адронов с внутренним квантовым числом — «странностью» — положило начало самой поразительной эпохе в физике элементарных частиц, которая даже сейчас, пятьдесят лет спустя, не дошла до своего завершения… Именно большие эксперименты определили это развитие, и основные открытия появлялись неожиданно или даже вопреки ожиданиям теоретиков.  — I.I. Bigi and A.I. Sanda, Нарушение CP-инвариантности, (ISBN 0-521-44349-0)

В 1947 г. Дж. Рочестер и К. К. Батлер опубликовали две фотографии событий в камере Вильсона, вызванных космическими лучами; на одной была показана нейтральная частица, распадающаяся на два заряженных пиона, а на другой — заряженная частица, распадающаяся на заряженный пион и что-то нейтральное. Оценка масс новых частиц была грубой — приблизительно половина массы протона. Дальнейшие примеры этих «V-частиц» появились не скоро.

Первый прорыв был совершен в Калтехе, где камера Вильсона была доставлена на гору Вильсона для более эффективного наблюдения за космическими лучами. В 1950 г. было замечено 30 заряженных и 4 нейтральных V-частицы. Вдохновленные этим учёные проводили множество наблюдений на вершине горы в несколько последующих лет и к 1953 г. была принята следующая классификация: «L-мезон» означало мюон или пион. «K-мезон» означало частицу, имевшую массу между массами пиона и нуклона. «Гиперон» означало любую частицу тяжелее нуклона.

Распады были очень медленными; типичные времена жизни были порядка 10−10 секунды. Однако рождение частиц в пион-протонных реакциях происходило намного быстрее, с характерным временем порядка 10−23 секунды. Проблема этого несоответствия была решена Абрахамом Пайсом, постулировавшим существование нового квантового числа, названного «странностью», которое сохраняется при сильном взаимодействии, но не сохраняется при слабом. Странные частицы появлялись в больших количествах из-за «связанного рождения» одновременно странной и антистранной частицы. Вскоре было показано, что оно не является мультипликативным квантовым числом, поскольку иначе были бы разрешены реакции, которые не наблюдались на новых циклотронах, построенных в Брукхейвенской Национальной лаборатории в 1953 г. и в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в 1955 г.

Нарушение чётности: загадка θ-τ[править | править исходный текст]

Для заряженных странных мезонов было найдено два типа распада:

  1. θ+ → π+ + π0
  2. τ+ → π+ + π+ + π.

Поскольку два конечных состояния имеют разную чётность, предполагалось, что начальные состояния также должны иметь разную чётность, и следовательно быть двумя разными частицами. Однако более точные измерения не показали никакой разницы в их массах и временах жизни, доказав, что они являются одной и той же частицей. Это явление известно как загадка θ-τ. Она была решена только с открытием нарушения чётности в слабых взаимодействиях. Поскольку мезоны распадаются посредством слабого взаимодействия, чётность не должна сохраняться, и два распада могут быть вызваны одной частицей, сейчас называемой K+.

Нарушение CP-симметрии в осцилляциях нейтральных мезонов[править | править исходный текст]

Сперва считалось, что, хотя чётность нарушается, CP (заряд+чётность) симметрия сохраняется. Чтобы понять открытие нарушения CP-симметрии, необходимо понять смешивание нейтральных каонов; это явление не требует нарушения CP-симметрии, но именно в этом контексте впервые наблюдалось нарушение CP-симметрии.

Смешивание нейтральных каонов[править | править исходный текст]

Два разных нейтральных K мезона, имеющих разную странность, могут превращаться друг в друга посредством слабого взаимодействия, поскольку в этом взаимодействии не сохраняется странность. s-Кварк в K0 превращается в d-кварк, испуская два W-бозона противоположных зарядов. d-Антикварк в K0 превращается в s-антикварк, поглощая их.

Поскольку нейтральные каоны имеют странность, они не могут быть своими собственными античастицами. Тогда должно быть два разных нейтральных каона, различающихся на две единицы странности. Вопрос в том, как установить существование этих двух мезонов. Решение использует явление, названное осцилляции нейтральных частиц, при котором эти два вида мезонов могут превращаться друг в друга посредством слабого взаимодействия, которое заставляет их распадаться на пионы (см. прилагаемый рисунок).

Эти осцилляции впервые были исследованы Мюрреем Гелл-Манном и Абрахамом Пайсом в их совместной работе. Они рассмотрели CP-инвариантную временную эволюцию состояний с противоположной странностью. В матричных обозначениях можно написать

 \psi(t) = U(t)\psi(0) = {\rm e}^{iHt} \begin{pmatrix}a \\ b\end{pmatrix}, \qquad H =\begin{pmatrix}M & \Delta\\ \Delta & M\end{pmatrix}

где ψ — это квантовое состояние системы, характеризуемое амплитудами существования в каждом из двух основных состояний (которые обозначены a и b во время t = 0). Диагональные элементы (M) гамильтониана соответствуют сильному взаимодействию, при котором сохраняется странность. Два диагональных элемента должны быть равными, поскольку частица и античастица имеют равные массы в отсутствие слабого взаимодействия. Не лежащие на диагонали элементы, которые смешивают частицы с противоположной странностью, вызваны слабым взаимодействием; CP-симметрия требует, чтобы они были действительными.

Если матрица H действительна, вероятности двух состояний будут вечно колебаться взад и вперед. Однако, если какая-то часть матрицы будет мнимой, хотя это запрещено CP-инвариантностью, тогда часть комбинации со временем будет уменьшаться. Уменьшающейся частью может быть либо одна компонента (a), либо другая (b), либо смесь обеих.

Смешивание[править | править исходный текст]

Собственные состояния получаются при диагонализации этой матрицы. Это даёт новые собственные векторы, которые мы можем назвать K1, который является суммой двух состояний с противоположной странностью, и K2, который является разностью. Оба они являются собственными состояними CP с противоположными собственными значениями; K1 имеет CP = +1, а K2 имеет CP = -1. Поскольку двухпионное конечное состояние также имеет CP = +1, только K1 может распадаться этим путем. K2 должен распадаться на три пиона. Поскольку масса K2 немного больше суммы масс трех пионов, этот распад происходит очень медленно, примерно в 600 раз медленнее, чем распад K1 на два пиона. Эти два пути распада наблюдались Леоном Ледерманом и его коллегами в 1956 г., которые установили существование двух слабых собственных состояний (состояний с определённым временем жизни при распаде нейтральных каонов посредством слабого взаимодействия) нейтральных каонов.

Эти два собственных состояния были названы KL (K-long) и KS (K-short). CP-симметрия, которая в то время считалась незыблемой, предполагает, что KS = K1 и KL = K2.

Осцилляция[править | править исходный текст]

Изначально чистый пучок K0 будет при распространении превращаться в свои античастицы, которые затем будут превращаться обратно в начальные частицы, и так далее. Это явление было названо осцилляцией частиц. При наблюдениях распадов на лептоны выяснилось, что K0 всегда распадался с эмиссией электрона, в то время как античастица \mathrm{\bar{K}^0} — с эмиссией позитрона. При первом анализе было выявлено соотношение между уровнем рождения электронов и позитронов из источников чистых K0 и их античастиц \mathrm{\bar{K}^0}. Анализ зависимости по времени полулептонного распада доказал существование явления осцилляций и позволил выяснить расщепление масс между KS и KL. Поскольку оно существует благодаря слабому взаимодействию, оно очень мало, 3,483(6)·10−12 МэВ (10−15 массы каждого состояния).

Восстановление[править | править исходный текст]

Пучок нейтральных каонов в полёте распадается так, что короткоживущий KS исчезает, оставляя поток чистых долгоживущих KL. Если этот поток проходит через вещество, K0 и его античастица \mathrm{\bar{K}^0} по-разному взаимодействуют с ядрами. С K0 происходит квазиупругое рассеяние на нуклонах, в то время как его античастица может создавать гипероны. Из-за различного взаимодействия двух компонент теряется квантовая когерентность между двумя частицами. Возникающий поток содержит различные линейные суперпозиции K0 и \mathrm{\bar{K}^0}. Такая суперпозиция является смесью KL и KS; таким образом, KS восстанавливается при прохождении пучка нейтральных каонов через вещество. Восстановление наблюдалось Оресте Пиччони и его коллегами в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. Вскоре после этого, Роберт Адэр со своими помощниками сообщил об избыточном восстановлении KS, тем самым открыв новую главу в этой истории.

Нарушение CP-симметрии[править | править исходный текст]

Пытаясь проверить результаты Адэра, в 1964 г. Джеймс Кронин и Вэл Фитч из BNL обнаружили распад KL на два пиона (CP = +1). Как указано выше, этот распад требует, чтобы предполагаемые начальные и конечные состояния имели различные значения CP, и, следовательно, немедленно предполагет нарушение CP-симметрии. Другие объяснения, такие как нелинейность квантовой механики или новая элементарная частица, вскоре были отброшены, оставив нарушение CP-симметрии единственной возможностью. За это открытие Кронин и Фитч получили Нобелевскую премию по физике 1980 г.

Выяснилось, что хотя KL и KS являются слабыми собственными состояниями (потому что они имеют определенное время жизни при распаде посредством слабого взаимодействия), они не совсем CP-состояния. Вместо этого, с точностью до нормировочного множителя

KL = K2 + εK1

(и аналогично для KS), где ε - малый параметр. Таким образом, изредка KL распадается как K1 с CP = +1, и аналогично KS может распадаться как K2 с CP = −1. Это явление известно как непрямое нарушение CP-симметрии, нарушение CP-симметрии из-за смешивания K0 и его античастицы. Существует также и прямое нарушение CP-симметрии, при котором нарушение происходит при самом распаде. Оба эффекта наблюдаются, поскольку и смешивание, и распад происходят от одного и того же взаимодействия с W-бозоном и, таким образом, нарушение CP-симметрии предсказывается ККМ-матрицей.

См. также[править | править исходный текст]

Ссылки[править | править исходный текст]

Логотип Викисловаря
В Викисловаре есть статья «каон»