Каон

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

Содержание

1 Основные свойства
2 Странность
3 Нарушение чётности: загадка θ-τ
4 Нарушение CP-симметрии в осцилляциях нейтральных мезонов
- 4.1 Смешивание нейтральных каонов
- 4.2 Нарушение CP-симметрии
5 См. также
6 Ссылки

[править] Основные свойства

Существуют четыре каона с определённой массой:

Отрицательно заряженный K^в (содержащий s-кварк и u-антикварк) имеет массу 493,667(16) МэВ и время жизни 1,2380(21)·10^в8 секунд.
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^в. 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^в8 секунды).
K⁰ (содержащий d-кварк и s-антикварк) имеет массу 497,614(24) МэВ.
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 в1 и изоспином в1/2.

Частица	Символ	Анти- частица	Кварковый состав частицы	Спин и чётность, $J^{\pi}$	Масса МэВ/c²	S	Время жизни с	Распадается на	Примечания
Заряженный каон	$\mathrm{K^+}$	$\mathrm{K^-}$	$\mathrm{u\bar{s}}$	Псевдоскаляр (0^в)	493,667(16)	+1	1,24·10^в8	π⁰ + e⁺ + ν_e или π⁺ + π₀
Нейтральный каон	$\mathrm{K^0}$	$\mathrm{\bar{K}^0}$	$\mathrm{d\bar{s}}$	Псевдоскаляр (0^в)	497,614(24)	+1	слабый распад		Сильное собственное состояние в 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^в)	497,614(24)	(*)	0,89·10^в10	π⁺ + π^в или 2π⁰	Слабое собственное состояние в 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^в)	497,614(24)	(*)	5,2·10^в8	π⁺ + e^в + ν_e	Слабое собственное состояние в 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:

Долгоживущий нейтральный каон, обозначаемый K_L («K-long»), обычно распадается на три пиона и имеет время жизни 5,18·10^в8 секунд.
Короткоживущий нейтральный каон, обозначаемый K_S («K-short»), обычно распадается на два пиона и имеет время жизни 8,958·10^в11 секунд.

(См. обсуждение смешивания нейтральных каонов 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⁺:

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

[править] Странность

Открытие адронов с внутренним квантовым числом в «странностью» в положило начало самой поразительной эпохе в физике элементарных частиц, которая даже сейчас, пятьдесят лет спустя, не дошла до своего завершенияв Именно большие эксперименты определили это развитие, и основные открытия появлялись неожиданно или даже вопреки ожиданиям теоретиков. в 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 в заряженная частица, распадающаяся на заряженный пион и что-то нейтральное. Оценка масс новых частиц была грубой в 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^в10 секунды. Однако рождение частиц в пион-протонных реакциях происходило намного быстрее, с характерным временем порядка 10^в23 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 паллетных 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.

[править] Нарушение чётности: загадка θ-τ

Для заряженных странных мезонов было найдено два типа распада:

θ⁺ π⁺ + π⁰
τ⁺ π⁺ + π⁺ + π^в.

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⁺.

[править] Нарушение CP-симметрии в осцилляциях нейтральных мезонов

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.

[править] Смешивание нейтральных каонов

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 в 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.

[править] Смешивание

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 K_L (K-long) и K_S (K-short). CP-симметрия, которая в то время считалась незыблемой, предполагает, что K_S = K₁ и K_L = K₂.

[править] Осцилляция

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 $\mathrm{\bar{K}^0}$ в 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 K_S и K_L. Поскольку оно существует благодаря слабому взаимодействию, оно очень мало, 3,483(6)·10^в12 МэВ (10^в15 массы каждого состояния).

[править] 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, 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 K_L и K_S; таким образом, K_S 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 K_S, тем самым открыв новую главу в этой истории.

[править] Нарушение CP-симметрии

Пытаясь проверить результаты Адэра, в 1964 г. Джеймс Кронин и Вэл Фитч из BNL обнаружили распад K_L 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 K_L и K_S 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

K_L = K₂ + εK₁

(и аналогично для K_S), где ε - малый параметр. Таким образом, изредка K_L распадается как K₁ с CP = +1, и аналогично K_S может распадаться как K₂ с CP = в1. 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.

[править] См. также

[править] Ссылки

Particle data group (2010) on mesons
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. Распад $K_2 \rightarrow 2\pi$ и возможное несохранение CP-чётности. - УФН, т.86, 1965, вып. 2, с. 231-262.
V. Cirigliano et al. Kaon decays in the standard model (англ.) // Rev. Mod. Phys.. в 2012. в Vol. 84. в P. 399в447. в DOI:10.1103/RevModPhys.84.399

Каон

Содержание

[править] Основные свойства

[править] Странность

[править] Нарушение чётности: загадка θ-τ

[править] Нарушение CP-симметрии в осцилляциях нейтральных мезонов

[править] Смешивание нейтральных каонов

[править] Смешивание

[править] Осцилляция

[править] Восстановление

[править] Нарушение CP-симметрии

[править] См. также

[править] Ссылки

Личные инструменты

Пространства имён

Варианты

Просмотры

Действия

Поиск

Навигация

Участие

Печать/экспорт

Инструменты

На других языках