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

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. K ⁰ (содержащий d-кварк и s-антикварк ) имеет массу 497,614(24) МэВ.
4. Его античастица ${\displaystyle \mathrm {{\bar {K}}^{0}} }$ (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 K ⁰ . Античастицы формируют второй дублет со странностью −1 и изоспином −1/2.

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

Хотя K ⁰ и его античастица ${\displaystyle \mathrm {{\bar {K}}^{0}} }$ 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 K _L («K-long»), обычно распадается на три пиона и имеет время жизни 5,18⋅10 ⁻⁸ секунд.
2. Короткоживущий нейтральный каон, обозначаемый K _S («K-short»), обычно распадается на два пиона и имеет время жизни 8,958⋅10 ⁻¹¹ секунд.

( См. ниже )

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

Основные варианты распада для K ⁺ :

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

Странность

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. (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 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 , 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

Для заряженных странных мезонов было найдено два типа распада:

1. θ ⁺ → π ⁺ + π ⁰
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

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

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 , 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

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

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 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

Собственные состояния получаются при диагонализации этой матрицы. Это даёт новые собственные векторы, которые мы можем назвать K ₁ , который является суммой двух состояний с противоположной странностью, и K ₂ , который является разностью. Оба они являются собственными состояниями CP с противоположными собственными значениями; K ₁ имеет CP = +1, а K ₂ имеет CP = −1. Поскольку двухпионное конечное состояние также имеет CP = +1, только K ₁ может распадаться этим путём. K ₂ должен распадаться на три пиона. Поскольку масса K ₂ немного больше суммы масс трёх пионов, этот распад происходит очень медленно, примерно в 600 раз медленнее, чем распад K ₁ 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 K _L (K-long) и K _S (K-short). CP-симметрия , которая в то время считалась незыблемой, предполагает, что K _S = K ₁ и K _L = K ₂ .

Осцилляция

Изначально чистый пучок K ⁰ 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 K ⁰ всегда распадался с эмиссией электрона, в то время как античастица ${\displaystyle \mathrm {{\bar {K}}^{0}} }$ — с эмиссией позитрона. При первом анализе было выявлено соотношение между уровнем рождения электронов и позитронов из источников чистых K ⁰ и их античастиц ${\displaystyle \mathrm {{\bar {K}}^{0}} }$ . Анализ зависимости по времени доказал существование явления осцилляций и позволил выяснить расщепление масс между K _S и K _L . Поскольку оно существует благодаря слабому взаимодействию, оно очень мало, 3,483(6)⋅10 ⁻¹² МэВ (10 ⁻¹⁵ массы каждого состояния).

Восстановление

Пучок нейтральных каонов в полёте распадается так, что короткоживущий K _S исчезает, оставляя поток чистых долгоживущих K _L . Если этот поток проходит через вещество, K ⁰ и его античастица ${\displaystyle \mathrm {{\bar {K}}^{0}} }$ по-разному взаимодействуют с ядрами. С K ⁰ происходит квази упругое 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 K ⁰ и ${\displaystyle \mathrm {{\bar {K}}^{0}} }$ . Такая суперпозиция является смесью K _L и K _S ; таким образом, K _S восстанавливается при прохождении пучка нейтральных каонов через вещество. Восстановление наблюдалось и его коллегами в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. Вскоре после этого, со своими помощниками сообщил об избыточном восстановлении K _S , тем самым открыв новую главу в этой истории.

Нарушение CP-симметрии

Пытаясь проверить результаты Адэра, в 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч из BNL обнаружили распад K _L на два пиона (CP = +1). Как указано , 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 K _L и K _S 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

K _L = K ₂ + εK ₁

(и аналогично для K _S ), где ε — малый параметр. Таким образом, изредка K _L распадается как K ₁ с CP = +1, и аналогично K _S может распадаться как K ₂ с CP = −1. Это явление известно как непрямое нарушение CP-симметрии , нарушение CP-симметрии из-за смешивания K ⁰ 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

• Адроны , мезоны , гипероны и аромат
• S-кварк и кварковая модель
• Чётность (физика) , зарядовое сопряжение , T-симметрия , CPT-инвариантность и Нарушение CP-инвариантности
• Нейтринные осцилляции

Примечания

Ссылки

• The quark model , by J.J.J. Kokkedee
• CP violation , by I.I. Bigi and A.I. Sanda (Cambridge University Press, 2000) ISBN 0-521-44349-0
• Griffiths, David (1987). Introduction to Elementary Particles. New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-60386-4 .
• В. М. Терентьев. . — УФН, т.86, 1965, вып. 2, с. 231—262.
• Cirigliano V. et al. (англ.) // Rev. Mod. Phys. . — 2012. — Vol. 84. — P. 399—447. — doi : .