Каон

Распад каона (
K⁺
) на три пиона  (2 
π⁺
, 1 
π^-
) - это процесс, включающий как слабые, так и сильные взаимодействия .

Слабые взаимодействия  : Странный антикварк  (
s
) каона превращается в верхний антикварк  (
ты
) эмиссией
W⁺
бозон ; в
W⁺
бозон впоследствии распадается на нижний антикварк   (
d
) и ап-кварк  (
ты
).

Сильные взаимодействия : восходящий кварк (
ты
) излучает глюон  (
грамм
), который распадается на нижний кварк (
d
) и пуховый антикварк (
d
).

В физике элементарных частиц , в каонных ( / к eɪ . Ɒ п / ), также называемый K - мезон и обозначается
K
, ^[a] - это любой из четырех мезонов, отличающихся квантовым числом, называемым странностью . В модели кварков они понимаются связанные состояния из более странного кварка (или антикварка) и вверх или вниз кварка (или кварка).

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 : нарушение СРявление, 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 [ править ]

Четыре каона:

1. 
   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 .
2. 
   K⁺
   ( античастица, указанная выше) положительно заряженная (содержащая ап-кварк и странный антикварк ) должна (в силу CPT-инвариантности ) 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.
3. 
   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 .
4. 
   K⁰
   , нейтрально заряженный (античастица из приведенного выше) (содержащий 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).

Свойства каонов

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	${\ displaystyle \ mathrm {\ tfrac {d {\ bar {s}} - s {\ bar {d}}} {\ sqrt {2}}} \,}$[†]	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	${\ displaystyle \ mathrm {\ tfrac {d {\ bar {s}} + s {\ bar {d}}} {\ sqrt {2}}} \,}$[†]	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 .
  Кварковая структура антикаона (K⁻).

( 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⁺
:

Кварковая структура нейтрального каона (K⁰).

Режимы распада для
K^-
являются зарядовыми конъюгатами указанных выше.

Нарушение четности [ править ]

Были обнаружены два разных 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 называется
K⁺
.

История [ править ]

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.

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 г.

СР-нарушение в колебаниях нейтрального мезона [ править ]

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 [ править ]

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 один в другой посредством слабого взаимодействия, которое заставляет 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

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

где ψ - 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 [ править ]

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 ₂лишь 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 [ править ]

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. ^[8]

Регенерация [ править ]

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. ^[9] Регенерация наблюдалась Оресте Пиччони и его сотрудниками в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли . ^[10] Вскоре после этого Роберт Адэр и его коллеги сообщили об избытке
K
_S возрождение, открывая новую главу в этой истории.

Нарушение CP [ править ]

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 . ^[11] 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 появление новой ненаблюдаемой частицы, вскоре были исключены, и CP-нарушение стало единственной возможностью. 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, таким образом, 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 ]}

См. Также [ править ]

Найдите kaon в Викисловаре, бесплатном словаре.

• 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 [ править ]

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

• 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 [ править ]

• СМИ, связанные с Каоном, на Викискладе?