В физике элементарных частиц , в каонных ( / к eɪ . Ɒ п / ), также называемый K - мезон и обозначается
K
, [a] - это любой из четырех мезонов, различаемых квантовым числом, называемым странностью . В модели кварков они понимаются связанные состояния из более странного кварка (или антикварка) и вверх или вниз кварка (или кварка).
Состав | K+ : ты s
K- : s ты |
---|---|
Статистика | Бозонный |
Взаимодействия | Сильный , слабый , электромагнитный , гравитационный |
Символ | K+ , K0 , K- |
Античастица | K+ : K-
K- : K+ |
Обнаруженный | 1947 г. |
Типы | 4 |
Масса | K± : 493,677 ± 0,013 МэВ / c 2 K0 : 497,648 ± 0,022 МэВ / c 2 |
Средняя продолжительность жизни | K± : (1,2384 ± 0,0024) × 10 -8 с K S: 8,958 × 10 −11 с K L: (1,2384 ± 0,0024) × 10 -8 с |
Электрический заряд | K± : ± 1 е K0 : 0 e |
Вращение | 0 |
Странность | K+ , K0 : +1 K- , K0 : -1 |
Изоспин | K+ , K0 : + 1 ⁄ 2 K0 , K- : - 1 ⁄ 2 |
Паритет | -1 |
Каоны оказались обильным источник информации о природе фундаментальных взаимодействий с момента их открытий в космических лучах в 1947 году они были необходимы в создании основы Стандартной модели физики элементарных частиц, такие как кварковая модель из адронов и теории от смешивания кварков (последнее было признано в Нобелевской премии по физике в 2008 году). Каоны сыграли выдающуюся роль в нашем понимании фундаментальных законов сохранения : CP-нарушение , явление, порождающее наблюдаемую асимметрию материи и антивещества Вселенной, было обнаружено в системе каонов в 1964 году (что было признано Нобелевской премией в 1980 году). Более того, прямое CP-нарушение было обнаружено в распадах каонов в начале 2000-х в эксперименте NA48 в ЦЕРНе и эксперименте KTeV в Фермилабе .
Основные свойства
Четыре каона:
K-
, отрицательно заряженный (содержащий странный кварк и антикварк вверх ) имеет массу493,677 ± 0,013 МэВ и среднее время жизни (1,2380 ± 0,0020) × 10 -8 с .
K+
( античастица из вышеприведенного) положительно заряженная (содержащая ап-кварк и странный антикварк ) должна (по инвариантности CPT ) иметь массу и время жизни, равные массе и времени жизни
K-
. Экспериментально разница масс составляет0,032 ± 0,090 МэВ , что соответствует нулю; разница во времени жизни(0,11 ± 0,09) × 10 -8 с , также соответствует нулю.
K0
, нейтрально заряженный (содержащий даун-кварк и странный антикварк ) имеет массу497,648 ± 0,022 МэВ . Он имеет средний квадрат радиуса заряда в-0,076 ± 0,01 фм 2 .
K0
, нейтрально заряженная (античастица, указанная выше) (содержащая странный кварк и нижний антикварк ) имеет одинаковую массу.
Как показывает кварковая модель , предполагается, что каоны образуют два дублета изоспина ; то есть, они принадлежат к фундаментальному представлению в SU (2) называется 2 . Один дублет странности +1 содержит
K+
и
K0
. Античастицы образуют другой дублет (странности -1).
Имя частицы | Символ частицы | Символ античастицы | Содержание кварка | Масса покоя ( МэВ / c 2 ) | I G | J P C | S | C | B ' | Среднее время жизни ( лет ) | Обычно распадается до (> 5% распадов) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Каон [1] | K+ | K- | тыs | 493,677 ± 0,016 | 1 ⁄ 2 | 0 - | 1 | 0 | 0 | (1,2380 ± 0,0021 ) × 10 −8 | μ+ + νμ или же π+ + π0 или же π+ + π+ + π- или же π0 + е+ + νе |
Каон [2] | K0 | K0 | ds | 497,611 ± 0,013 | 1 ⁄ 2 | 0 - | 1 | 0 | 0 | [§] | [§] |
K-шорт [3] | K0 ю.ш. | Себя | [†] | 497,611 ± 0,013 [‡] | 1 ⁄ 2 | 0 - | [*] | 0 | 0 | (8,954 ± 0,004) × 10 −11 | π+ + π- или же π0 + π0 |
K-Long [4] | K0 л | Себя | [†] | 497,611 ± 0,013 [‡] | 1 ⁄ 2 | 0 - | [*] | 0 | 0 | (5,116 ± 0,021) × 10 −8 | π± + е∓ + νе или же π± + μ∓ + νμ или же π0 + π0 + π0 или же π+ + π0 + π- |
[*] См. Примечания к нейтральным каонам в статье Список мезонов и смешивание нейтральных каонов ниже.
[§] ^ Сильное собственное состояние . Нет определенного срока службы (см. Смешивание нейтральных каонов ).
[†] ^ Слабое собственное состояние . В составе отсутствует небольшой член, нарушающий CP (см. Смешивание нейтральных каонов ).
[‡] ^ Масса
K0
л а также
K0
ю.ш. даны как
K0
. Однако известно, что относительно небольшая разница между массами
K0
л а также
K0
ю.ш. в порядке 3,5 × 10 −6 эВ / c 2 . [4]
Хотя
K0
и его античастица
K0
обычно образуются за счет сильного взаимодействия , они слабо распадаются . Таким образом, после создания их лучше рассматривать как суперпозицию двух слабых собственных состояний, которые имеют совершенно разные времена жизни:
- Долго -lived нейтральной каон называется
K
L("K-long"), распадается в основном на три пиона и имеет среднее время жизни5,18 × 10 −8 с . - Короткий -lived нейтральный каон называется
K
S ("K-short"), распадается в основном на два пиона и имеет среднее время жизни 8,958 × 10 −11 с .
( См. Обсуждение смешивания нейтральных каонов ниже. )
Экспериментальное наблюдение, сделанное в 1964 году, что K-long распадаются на два пиона, было открытием CP-нарушения (см. Ниже).
Основные режимы распада для
K+
:
Полученные результаты | Режим | Коэффициент разветвления |
---|---|---|
μ+ ν μ | лептонный | 63,55 ± 0,11% |
π+ π0 | адронный | 20,66 ± 0,08% |
π+ π+ π- | адронный | 5,59 ± 0,04% |
π+ π0 π0 | адронный | 1,761 ± 0,022% |
π0 е+ ν е | полулептонный | 5,07 ± 0,04% |
π0 μ+ ν μ | полулептонный | 3,353 ± 0,034% |
Режимы распада для
K-
являются зарядовыми конъюгатами указанных выше.
Нарушение четности
Были обнаружены два различных распада заряженных странных мезонов:
Θ+→
π+
+
π0
τ+→
π+
+
π+
+
π-
Внутренняя четность пиона равна P = −1, а четность - мультипликативное квантовое число. Следовательно, два конечных состояния имеют разную четность (P = +1 и P = −1 соответственно). Считалось, что начальные состояния также должны иметь разную четность и, следовательно, быть двумя разными частицами. Однако при все более точных измерениях не было обнаружено никакой разницы между массой и временем жизни каждой, соответственно, что указывает на то, что это одна и та же частица. Это было известно как загадка τ – θ . Ее разрешило только открытие нарушения четности в слабых взаимодействиях . Поскольку мезоны распадаются в результате слабого взаимодействия, четность не сохраняется, и два распада фактически являются распадами одной и той же частицы, [5] теперь называемой
K+
.
История
Открытие адронов с внутренним квантовым числом "странность" знаменует собой начало самой захватывающей эпохи в физике элементарных частиц, которая даже сейчас, пятьдесят лет спустя, еще не нашла своего заключения ... в целом эксперименты стимулировали развитие, и что важные открытия были сделаны неожиданно или даже вопреки ожиданиям теоретиков. - И.И. Биги и А.И. Санда, нарушение CP , ( ISBN 0-521-44349-0 )
В поисках гипотетического ядерного мезона , Луис Лепринс Рингет обнаружил положительно заряженную частицу тяжелее в 1944 году [6] [7]
В 1947 году Дж. Д. Рочестер и Клиффорд Чарльз Батлер из Манчестерского университета опубликовали две фотографии в камере Вильсона событий, вызванных космическими лучами , на одной из которых было показано, что нейтральная частица распадается на два заряженных пиона, а на другой - заряженная частица. распадаясь на заряженный пион и что-то нейтральное. Расчетная масса новых частиц была очень приблизительной, около половины массы протона. Новые примеры этих «V-частиц» появлялись медленно.
В 1949 году Розмари Браун (позже Розмари Фаулер), студентка бристольской группы К.Ф. Пауэлла, заметила свой k-трек, сделанный частицей очень похожей массы, которая распалась на три пиона (Браун и др. «Часть 2: Наблюдения»). с электронно-чувствительными пластинами, подвергающимися воздействию космического излучения ». Nature 163 (1949): 82-87 (примечание: часть 1 - это Nature 163 (1949): 47-51, но в части 2 есть фотография на стр. 82). к так называемой проблеме «тау-тета»: что-то, казалось бы, одни и те же частицы распадаются в двух разных режимах: тета на два пиона, тау на три пиона. [8]
Первый прорыв был сделан в Калифорнийском технологическом институте , где камера Вильсона была размещена на горе Вильсон для большего воздействия космических лучей. В 1950 г. сообщалось о 30 заряженных и 4 нейтральных V-частицах. Вдохновленные этим, в течение следующих нескольких лет были проведены многочисленные наблюдения на вершинах гор, и к 1953 году была принята следующая терминология: «L-мезон» означал мюон или пион . «К-мезон» означал частицу, промежуточную по массе между пионом и нуклоном .
Лепренс-Ринке ввел термин « гиперон » для обозначения любой частицы тяжелее нуклона. [6] [7] Частица Лепренса-Ринге оказалась K + -мезоном. [6] [7]
Распад был чрезвычайно медленным; типичное время жизни порядка10 −10 с . Однако производство в пион - протонных реакций протекает значительно быстрее, с временной шкалой10 −23 с . Проблема этого несоответствия была решена Абрахамом Пайсом, который постулировал новое квантовое число, называемое « странностью », которое сохраняется при сильных взаимодействиях, но нарушается при слабых взаимодействиях . Странные частицы появляются в большом количестве из-за «совместного производства» странной и антистрановой частицы вместе. Вскоре было показано, что это не может быть мультипликативным квантовым числом , потому что оно допускает реакции, которые никогда не наблюдались в новых синхротронах, которые были введены в эксплуатацию в Брукхейвенской национальной лаборатории в 1953 году и в лаборатории Лоуренса Беркли в 1955 году.
СР-нарушение в колебаниях нейтральных мезонов
Первоначально считалось, что хотя четность нарушена, CP (зарядовая четность) симметрия сохраняется. Чтобы понять открытие CP-нарушения , необходимо понять смешивание нейтральных каонов; это явление не требует CP-нарушения, но это тот контекст, в котором впервые было обнаружено CP-нарушение.
Смешивание нейтральных каонов
Поскольку нейтральные каоны несут в себе странности, они не могут быть собственными античастицами. Тогда должно быть два разных нейтральных каона, различающихся на две единицы странности. Тогда встал вопрос, как установить присутствие этих двух мезонов. В решении использовалось явление, называемое колебаниями нейтральных частиц , с помощью которого эти два типа мезонов могут переходить друг в друга посредством слабых взаимодействий, которые заставляют их распадаться на пионы (см. Рисунок рядом).
Эти колебания впервые исследовали Мюррей Гелл-Манн и Абрахам Пайс вместе. Они рассмотрели CP-инвариантную временную эволюцию состояний с противоположной странностью. В матричных обозначениях можно написать
где ψ - квантовое состояние системы, определяемое амплитудами нахождения в каждом из двух базисных состояний (которые являются a и b в момент времени t = 0). Диагональные элементы ( M ) гамильтониана обусловлены физикой сильного взаимодействия, которое сохраняет странность. Два диагональных элемента должны быть равны, поскольку частица и античастица имеют равные массы в отсутствие слабых взаимодействий. Недиагональные элементы, которые смешивают частицы противоположной странности, возникают из-за слабого взаимодействия ; CP-симметрия требует, чтобы они были реальными.
Следствием того, что матрица H является действительной, является то, что вероятности двух состояний будут постоянно колебаться взад и вперед. Однако, если какая-либо часть матрицы была мнимой, что запрещено CP-симметрией , то часть комбинации со временем будет уменьшаться. Уменьшающаяся часть может быть либо одним компонентом ( a ), либо другим ( b ), либо их смесью.
Смешивание
Собственные состояния получаются путем диагонализации этой матрицы. Это дает новые собственные векторы, которые мы можем назвать K 1, который представляет собой сумму двух состояний противоположной странности, и K 2 , который представляет собой разницу. Эти два являются собственными состояниями CP с противоположными собственными значениями; K 1 имеет CP = +1, а K 2 имеет CP = −1. Поскольку конечное состояние двух пионов также имеет CP = +1, только K 1 может распадаться таким образом. K 2 должен распадаться на три пиона. Поскольку масса K 2 немного больше суммы масс трех пионов, этот распад происходит очень медленно, примерно в 600 раз медленнее, чем распад K 1 на два пиона. Эти два различных режима распада наблюдались Леоном Ледерманом и его сотрудниками в 1956 году, установив существование двух слабых собственных состояний (состояний с определенным временем жизни при распадах через слабое взаимодействие ) нейтральных каонов.
Эти два слабых собственных состояния называются
K
L (K-длинный) и
K
S(K-короткий). CP-симметрия , которая предполагалась в то время, означает, что
K
S = K 1 и
K
L = К 2 .
Колебание
Первоначально чистый пучок
K0
превратится в свою античастицу,
K0
, при распространении, которая превратится обратно в исходную частицу,
K0
, и так далее. Это называется колебанием частиц. Наблюдая за слабым распадом на лептоны , было обнаружено, что
K0
всегда распадалась на позитрон, тогда как античастица
K0
распался на электрон. Более ранний анализ показал связь между скоростью образования электронов и позитронов из источников чистого
K0
и его античастица
K0
. Анализ временной зависимости этого полулептонного распада показал явление осцилляции и позволил выделить расщепление массы между
K
S а также
K
L. Поскольку это происходит из-за слабых взаимодействий, оно очень мало, в 10-15 раз больше массы каждого состояния, а именно ∆M K = M (K L ) −M (K S ) = 3,484 (6) × 10 −12 МэВ. [9]
Регенерация
Пучок нейтральных каонов распадается в полете, так что короткоживущие
K
S исчезает, оставляя луч чистого долгоживущего
K
L. Если этот луч выстрелить в материю, то
K0
и его античастица
K0
по-разному взаимодействуют с ядрами. В
K0
испытывает квазиупругое рассеяние на нуклонах , а его античастица может создавать гипероны . Из-за различного взаимодействия двух компонентов квантовая когерентность между двумя частицами теряется. Выходящий пучок тогда содержит различные линейные суперпозиции
K0
а также
K0
. Такая суперпозиция представляет собой смесь
K
L а также
K
S; в
K
Sвосстанавливается при прохождении нейтрального каонного луча через материю. [10] Регенерация наблюдалась Оресте Пиччони и его сотрудниками в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли . [11] Вскоре после этого Роберт Адэр и его коллеги сообщили об избытке
K
S возрождение, открывая новую главу в этой истории.
Нарушение CP
Пытаясь проверить результаты Адаира, Дж. Кристенсон, Джеймс Кронин , Вэл Фитч и Рене Терлей из Принстонского университета обнаружили распад
K
Lна два пиона ( CP = +1) в эксперименте, проведенном в 1964 году на синхротроне с переменным градиентом в лаборатории Брукхейвена . [12] Как объяснялось в предыдущем разделе , для этого требовалось, чтобы предполагаемые начальное и конечное состояния имели разные значения CP , и, следовательно, сразу предполагалось нарушение CP . Альтернативные объяснения, такие как нелинейная квантовая механика и новая ненаблюдаемая частица, были вскоре исключены, оставив нарушение CP как единственную возможность. Кронин и Фитч получили Нобелевскую премию по физике за это открытие в 1980 году.
Оказывается, хотя
K
L а также
K
Sявляются слабыми собственными состояниями (поскольку они имеют определенные времена жизни для распада из-за слабого взаимодействия), они не являются полностью собственными состояниями CP . Вместо этого при малых ε (и с точностью до нормализации)
K
L= К 2 + ε К 1
и аналогично для
K
S. Таким образом, иногда
K
Lраспадается как K 1 с CP = +1, и аналогично
K
Sможет распадаться с CP = −1. Это известно как косвенное CP-нарушение , CP-нарушение из-за смешивания
K0
и его античастица. Существует также эффект прямого CP-нарушения , при котором CP-нарушение происходит во время самого распада. Оба присутствуют, потому что и смешивание, и распад возникают из-за одного и того же взаимодействия с W-бозоном и, следовательно, имеют CP-нарушение, предсказываемое матрицей CKM . Прямое CP-нарушение было обнаружено в распадах каонов в начале 2000-х годов экспериментами NA48 и KTeV в ЦЕРНе и Фермилабе. [ необходима цитата ]
Смотрите также
- Адроны , мезоны , гипероны и аромат
- Странный кварк и кварковая модель
- Четность (физика) , зарядовое сопряжение , симметрия относительно обращения времени , CPT-инвариантность и CP-нарушение
- Колебания нейтрино
- Колебания нейтральной частицы
Сноски
- ^ До 1960-х годов положительно заряженный каон раньше назывался τ + или θ + , поскольку считалось, что это две разные частицы. См. § Нарушение четности .
Рекомендации
- ^ Beringer, J .; и другие. (2012). "Списки частиц -K±" (PDF) .
- ^ Танабаши, М .; и другие. (2018). "Списки частиц -K0" (PDF) .
- ^ Beringer, J .; и другие. (2012). "Списки частиц -K0 ю.ш." (PDF) .
- ^ а б Beringer, J .; и другие. (2012). "Списки частиц -K0 л" (PDF) .
- ^ Ли, Т. Д .; Ян, CN (1 октября 1956 г.). «Вопрос сохранения паритета в слабых взаимодействиях». Физический обзор . 104 (1): 254. Полномочный код : 1956PhRv..104..254L . DOI : 10.1103 / PhysRev.104.254 .
Один из выходов из затруднения - предположить, что четность не сохраняется строго, так что
Θ+
а также
τ+
представляют собой два разных режима распада одной и той же частицы, которая обязательно имеет одно значение массы и одно время жизни. - ^ а б в Дегранж, Бернар; Фонтен, Жерар; Флери, Патрик (2013). «Отслеживание вклада Луи Лепренса-Ренге в физику космических лучей» . Физика сегодня . 66 (6): 8. Bibcode : 2013PhT .... 66f ... 8D . DOI : 10.1063 / PT.3.1989 . ISSN 0031-9228 .
- ^ а б в Равель, Оливье (2012). «Ранние исследования космических лучей во Франции» . В Ормесе, Джонатан Ф. (ред.). Столетний симпозиум 2012: открытие космических лучей . Материалы конференции AIP. 1516 . Денвер, США: Американский институт физики. С. 67–71. Bibcode : 2013AIPC.1516 ... 67R . DOI : 10.1063 / 1.4792542 . ISBN 978-0-7354-1137-1.
- ^ Brownmiss, R .; Camerini, U .; Фаулер, PH; Muirhead, H .; Пауэллпроф, CF; Ритсон, Д.М. (1949). «Наблюдения с электронно-чувствительными пластинами под воздействием космического излучения». Природа . 163 (4133): 82–87. Bibcode : 1949Natur.163 ... 82B . DOI : 10.1038 / 163082a0 .
- ^ Aoki, S .; и другие. (2020). «Обзор ФЛАГа 2019». Европейский физический журнал C . 80 (2): 113. arXiv : 1902.08191 . Bibcode : 2020EPJC ... 80..113A . DOI : 10.1140 / epjc / s10052-019-7354-7 .
- ^ Pais, A .; Пиччони, О. (1 декабря 1955 г.). «Замечание о распаде и поглощении θ⁰». Физический обзор . 100 (5): 1487–1489. DOI : 10.1103 / PhysRev.100.1487 .
- ^ Хорошо, RH; Matsen, RP; Muller, F .; Piccioni, O .; Пауэлл, ВМ; Белый, HS; Фаулер, ВБ; Бирге, Р. У. (15 ноября 1961 г.). «Регенерация нейтральных K-мезонов и разность их масс». Физический обзор . 124 (4): 1223–1239. Bibcode : 1961PhRv..124.1223G . DOI : 10.1103 / PhysRev.124.1223 .
- ^ Кристенсон, JH; Кронин, JW; Fitch, VL; Турлай, Р. (27 июля 1964 г.). «Свидетельства 2π-распада мезона K 2 0 » . Письма с физической проверкой . 13 (4): 138–140. Bibcode : 1964PhRvL..13..138C . DOI : 10.1103 / physrevlett.13.138 .
Библиография
- Amsler, C .; Дозер, М .; Антонелли, М .; Asner, D .; Бабу, К .; Baer, H .; и другие. ( Группа данных по частицам ) (2008). «Обзор физики элементарных частиц» (PDF) . Физика Письма Б . 667 (1): 1–1340. Bibcode : 2008PhLB..667 .... 1A . DOI : 10.1016 / j.physletb.2008.07.018 .
- Eidelman, S .; Hayes, KG; Olive, KA; Агилар-Бенитес, М .; Amsler, C .; Asner, D .; и другие. ( Группа данных по частицам ) (2004). «Обзор физики элементарных частиц». Физика Письма Б . 592 (1): 1. arXiv : astro-ph / 0406663 . Bibcode : 2004PhLB..592 .... 1P . DOI : 10.1016 / j.physletb.2004.06.001 .
- Модель кварков , автор JJJ Kokkedee [ требуется полная ссылка ]
- Соцци, MS (2008). Дискретные симметрии и нарушение CP . Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0-19-929666-8.
- Bigi, II; Санда, AI (2000). Нарушение CP . Издательство Кембриджского университета . ISBN 0-521-44349-0.
- Гриффитс, DJ (1987). Введение в элементарную частицу . Джон Вили и сыновья . ISBN 0-471-60386-4.
Внешние ссылки
- СМИ, связанные с Каоном, на Викискладе?