Русская Википедия:Каон
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
Существуют четыре каона с определённой массой:
- Отрицательно заряженный K− (содержащий s-кварк и u-антикварк) имеет массу 493,667(16) МэВ и время жизни 1,2380(21)Шаблон:E 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−. Экспериментально измеренная разность масс составляет 0,032(90) МэВ, то есть совместима с нулём. Разность во времени жизни также нулевая (экспериментальный результат: Шаблон:Math = 0,11(9)Шаблон:E секунды).
- K0 (содержащий d-кварк и s-антикварк) имеет массу 497,614(24) МэВ.
- Его античастица <math>\mathrm{\bar{K}^0}</math> (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, <math>J^{\pi}</math> | Масса МэВ/[[скорость света|Шаблон:Math]]² |
S | C | B | Время жизни с |
Распадается на | Примечания |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Заряженный каон |
<math>\mathrm{K^+}</math> | <math>\mathrm{K^-}</math> | <math>\mathrm{u\bar{s}}</math> | Псевдоскаляр (0−) | 493,667(16) | +1 | 0 | 0 | 1,24Шаблон:E | μ+νμ или π++π0 или π++π++π− или π0+e++νe | |
Нейтральный каон |
<math>\mathrm{K^0}</math> | <math>\mathrm{\bar{K}^0}</math> | <math>\mathrm{d\bar{s}} </math> | Псевдоскаляр (0−) | 497,614(24) | +1 | 0 | 0 | слабый распад см. ниже | Сильное собственное состояние — нет определённого времени жизни | |
Короткоживущий каон |
<math>\mathrm{K_S^0}</math> | <math>\mathrm{K_S^0}</math> | <math>\mathrm{\frac{d\bar{s} + s\bar{d}}{\sqrt{2}}}</math> | Псевдоскаляр (0−) | 497,614(24) | (*) | 0 | 0 | 0,89Шаблон:E | π+ + π− или 2π0 |
Слабое собственное состояние — состав указывает на нарушение CP-инвариантности |
Долгоживущий каон |
<math>\mathrm{K_L^0}</math> | <math>\mathrm{K_L^0}</math> | <math>\mathrm{\frac{d\bar{s} - s\bar{d}}{\sqrt{2}}} </math> | Псевдоскаляр (0−) | 497,614(24) | (*) | 0 | 0 | 5,2Шаблон:E | π±+e∓+νe или π±+μ∓+νμ или 3π0 или π++π0+π− |
Слабое собственное состояние — состав указывает на нарушение CP-инвариантности |
Хотя K0 и его античастица <math>\mathrm{\bar{K}^0}</math> 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 KL («K-long»), обычно распадается на три пиона и имеет время жизни 5,18Шаблон:E секунд.
- Короткоживущий нейтральный каон, обозначаемый KS («K-short»), обычно распадается на два пиона и имеет время жизни 8,958Шаблон:E 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+:
- <math>\mu^+\nu_\mu</math> (лептонный, коэффициент ветвления BR = 63,55(11)%);
- <math>\pi^+\pi^0</math> (адронный, BR = 20,66(8)%);
- <math>\pi^+\pi^+\pi^-</math> (адронный, BR = 5,59(4)%);
- <math>\pi^0e^+\nu_e</math> (полулептонный, BR = 5,07(4)%);
- <math>\pi^0\mu^+\nu_{\mu}</math> (полулептонный, BR = 3,353(34)%);
- <math>\pi^+\pi^0\pi^0</math> (адронный, BR = 1,761(22)%).
Странность
Шаблон:Начало цитатыОткрытие 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.Шаблон:Конец цитаты
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 совершён 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. 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 в 1953 г. и в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в 1955 г.
Нарушение чётности: загадка θ-τ
Для заряженных странных мезонов было найдено два типа распада:
- θ+ → π+ + π0
- 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 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
- <math> \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}</math>
где Шаблон:Math — это квантовое состояние системы, характеризуемое амплитудами существования в каждом из двух основных состояний (которые обозначены Шаблон:Math и Шаблон:Math во время Шаблон:Math). Диагональные элементы (Шаблон:Math) 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 Шаблон:Math 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 (Шаблон:Math), либо другая (Шаблон:Math), либо смесь обеих.
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 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
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 <math>\mathrm{\bar{K}^0}</math> — с эмиссией позитрона. При первом анализе было выявлено соотношение между уровнем рождения электронов и позитронов из источников чистых K0 и их античастиц <math>\mathrm{\bar{K}^0}</math>. 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)Шаблон:E МэВ (10−15 массы каждого состояния).
Восстановление
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 <math>\mathrm{\bar{K}^0}</math> 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 <math>\mathrm{\bar{K}^0}</math>. 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
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 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 г.
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.
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
- 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 <math>K_2 \rightarrow 2\pi</math> и возможное несохранение CP-чётности. — УФН, т.86, 1965, вып. 2, с. 231—262.
- Шаблон:Статья
Шаблон:Wiktionary Шаблон:Частицы