Каон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Каон
Семья Бозон
Группа адрон, мезон, псевдо-голдстоуновский бозон, псевдоскалярный бозон
Участвует во взаимодействиях Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное
Античастица ,
Кол-во типов 4
Масса
  • Заряженный: 493,667(16) МэВ
  • Нейтральный: 497,614(24) МэВ
  • Короткоживущий: 497,614(24) МэВ
  • Долгоживущий: 497,614(24) МэВ
Время жизни
  • Заряженный: 1,24⋅10−8 с
  • Короткоживущий: 0,89⋅10−10 с
  • Долгоживущий: 5,1⋅10−8 с
Обнаружена в 1947 году
Квантовые числа
Барионное число 0
Спин ħ
Внутренняя чётность -1
Изотопический спин ±1 (0)
Третья компонента слабого изоспина +1
Странность +1
Очарование 0
Гиперзаряд 1
Другие свойства
Кварковый состав Заряженный:
Нейтральный:
Короткоживущий:
Долгоживущий:
Схема распада π+ vv (пион, нейтрино, антинейтрино)
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

Као́н (или K-мезо́н[1], 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 код]

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 нулём. 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 (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, Масса
МэВ/c²
S C B Время жизни
с
Распадается на Примечания
Заряженный
каон
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
Псевдоскаляр (0) 497,614(24) +1 0 0 слабый распад см. ниже Сильное собственное состояние — нет определённого времени жизни
Короткоживущий
каон
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
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 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. #Смешивание 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. (лептонный, коэффициент ветвления BR = 63,55(11)%);
  2. (адронный, BR = 20,66(8)%);
  3. (адронный, BR = 5,59(4)%);
  4. (полулептонный, BR = 5,07(4)%);
  5. (полулептонный, BR = 3,353(34)%);
  6. (адронный, BR = 1,761(22)%);
  7. K+ → π+ ν̅ν (1 из 10^10) [2].

Странность

[править | править код]

Открытие адронов со 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.

Bigi I. I., Sanda A.I. CP Violation (англ.). — New York: Cambridge Univ. Press, 2000. — 382 p. — ISBN 0-521-44349-0.

В 1947 году Д. 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 совершён в Калтехе (США), где камера Вильсона была доставлена на гору Вильсона для более эффективного наблюдения за космическими лучами. В 1950 году было замечено 30 заряженных и 4 нейтральных V-частицы. Вдохновлённые этим, учёные проводили множество наблюдений на вершине горы 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 (США) в 1953 году и в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (США) в 1955 году.

Нарушение чётности: загадка θ-τ

[править | править код]

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 код]

Сначала 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 код]
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

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 вперёд. 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 код]

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 состояниями 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 путём. K2 должен распадаться на три пиона. Поскольку масса K2 немного больше суммы масс трёх 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 код]

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  — с эмиссией позитрона. При первом анализе было выявлено соотношение между уровнем рождения электронов и позитронов из источников чистых K0 и их античастиц . 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 код]

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 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 . 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[англ.] со своими помощниками сообщил об избыточном восстановлении KS, тем самым открыв новую главу в этой истории.

Нарушение CP-симметрии

[править | править код]

Пытаясь проверить результаты Адэра, в 1964 году Джеймс Кронин и Вал 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 предполагает нарушение CP-симметрии. Другие объяснения, такие как нелинейность квантовой механики или новая элементарная частица (гиперфотон), вскоре были отброшены, оставив нарушение CP-симметрии единственной возможностью. За это открытие Кронин и Фитч получили Нобелевскую премию по физике 1980 года.

Выяснилось, что хотя KL и KS являются слабыми собственными состояниями (потому что они имеют определённое 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.

Примечания

[править | править код]
  1. КАО́НЫ : [арх. 23 апреля 2016] // Канцелярия конфискации — Киргизы. — М. : Большая российская энциклопедия, 2009. — С. 10. — (Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов ; 2004—2017, т. 13). — ISBN 978-5-85270-344-6.
  2. В ЦЕРНе зафиксировали ультраредкий распад