ФЭНДОМ


В физике элементарных частиц каон (или K-мезон, обозначается K) - это любая частица из группы четырёх мезонов, которые имеют квантовое число, называемое странностью. Согласно кварковой модели считается, что они содержат один странный кварк (или антикварк).

Основные свойстваПравить

Вот четыре каона:

  1. Отрицательно заряженный K (содержащий s-кварк и u-антикварк) имеет массу 493.667±0.013 МэВ и время жизни (1.2384±0.0024)×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. Разность в массе составляет 0.032±0.090 МэВ, то есть практически равна нулю. Разность во времени жизни составляет (0.11±0.09)×10−8 секунд.
  3. K0 (содержащий d-кварк и s-антикварк) имеет массу 497.648±0.022 МэВ.
  4. Его античастица \overline{K^0} (содержащая s-кварк и d-антикварк) имеет такую же массу.

Если исходить из предположений 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 содержит K+ и K0. Античастицы формируют второй дублет.

Частица Символ Анти-
частица
Кварковый
Состав
Спин и чётность Масса покоя
МэВ/c2
S C B Время жизни
с
Распадается на Примечания
Заряженный
Каон
\mathrm{K^+} \mathrm{K^-} \mathrm{u\bar{s}} Псевдоскаляр 493.7 +1 0 0 1.24×10-8 μ + νμ
или π+ + π0
Нейтральный
Каон
\mathrm{K^0} \mathrm{\bar{K}^0} \mathrm{d\bar{s}} Псевдоскаляр 497.7 +1 0 0 слабый распад Сильное собственное состояние - время жизни не определено
Короткоживущий
Каон
\mathrm{K_S^0} \mathrm{K_S^0} \mathrm{\frac{d\bar{s} - s\bar{d}}{\sqrt{2}}} Псевдоскаляр 497.7 (*) 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 497.7 (*) 0 0 5.2×10-8 π+ + e- + νe Слабое собственное состояние - состав указывает на нарушение CP-инвариантности

Хотя K0 и его античастица \overline{K^0} обычно появляются в результате сильного взаимодействия, они распадются 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 = (63.43±0.17)%);
  2. \pi^+\pi^0 (адронный, BR = (21.13±0.14)%);
  3. \pi^+\pi^+\pi^- (адронный, BR = (5.576±0.031)%);
  4. \pi^+\pi^0\pi^0 (адронный, BR = (1.73±0.04)%);
  5. \pi^0e^+\nu_e (полулептонный, BR = (4.87±0.06)%)

СтранностьПравить

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... большие эксперименты двигали развитие, и основные открытия пришли неожиданно или даже против ожиданий 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. 30 заряженных и 4 нейтральных V-частиц было замечено. Вдохновленные этим ученые 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 секунд. Однако рождение частиц в пион-протонных реакциях происходило намного быстрее, порядка 10−23 секунд. Проблема этого несоответствия была решена Авраамом Паисом, который заявил о существовании 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 это бы позволило 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 τ-θПравить

Для заряженных странных мезонов было найдено два пути 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 известно как загадка τ-θ. 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 мезоновПравить

Изначально 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 каоновПравить

Файл:Kkbar.png

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 Авраамом Паисом 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.

Поскольку 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.

СмешиваниеПравить

Собственные состояния получаются при диагонализации этой матрицы. Это дает 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 определенным 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 = K1и KL = K2.

ОсцилляцияПравить

Изначально чистый пучок K0 будет превращаться в свои античастицы при распространении, которые затем будут превращаться обратно в начальные частицы, и так далее. Это было названо осцилляцией частиц. При наблюдениях распадов на лептоны выяснилось, что K0 всегда распадался на электрон, в то время как античастица \overline{K^0} распадалась на позитрон. При первом анализе было выявлено соотношение между уровнем рождения электронов и позитронов из источников чистых K0 и их античастиц \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, 10−15 массы каждого состояния.

ВосстановлениеПравить

Поток нейтральных каонов в полете распадается так, что короткоживущий KS исчезает, оставляя поток чистых долгоживущих KL. Если этот поток проходит через материю, K0 и его античастица \overline{K^0} по-разному взаимодействуют с ядрами. С K0 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 K0 и \bar{K}^0. Такая суперпозиция является смесьюKL и KS;KS восстанавливается при прохождении пучка нейтральных каонов через материю. Восстановление наблюдалось Оресте Пиччони и его коллегами в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. Вскоре после этого, Роберт Адэр со своими помощниками сообщил о чрезмерном восстановлении KS, тем самым открыв новую главу в этой истории.

Нарушение CP-симметрииПравить

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 как нелинейная квантовая механика или новая элементарная частица вскоре были отброшены, оставив нарушение CP-симметрии единственной возможностью. Кронин и Фитч получили Нобелевскую премию по физике за это открытие в 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, при малых ε (и в зависимости от нормировки),

KL = K2 + εK1

и аналогично для KS. Таким образом, иногда KL распадается как K1 с CP = +1, и аналогично KS может распадаться CP = −1. Это 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. такжеПравить

СсылкиПравить


 Частицы в физикесоставные частицы п·о·р 
Адроны: Барионы (список) | Мезоны (список)

Барионы: Нуклоны(Протон, Нейтрон) | Гипероны | Экзотические барионы | Пентакварки
Мезоны: Пионы | Каоны | Кварконий | Экзотические мезоны
Атомные ядра | Атомы (Периодическая система элементов) | Молекулы


Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Каон. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .


Обнаружено использование расширения AdBlock.


Викия — это свободный ресурс, который существует и развивается за счёт рекламы. Для блокирующих рекламу пользователей мы предоставляем модифицированную версию сайта.

Викия не будет доступна для последующих модификаций. Если вы желаете продолжать работать со страницей, то, пожалуйста, отключите расширение для блокировки рекламы.

Также на ФЭНДОМЕ

Случайная вики