Каон

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).

[править] Основные свойства

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 (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	K +	K −		Псевдоскаляр	493.7	+1	0	0	1.24×10-8	μ + νμ или π+ + π0
Нейтральный Каон	K0			Псевдоскаляр	497.7	+1	0	0	слабый распад		Сильное собственное состояние - время жизни не определено
Короткоживущий Каон				Псевдоскаляр	497.7	(*)	0	0	0.89×10-10	π+ + π- или 2π0	Слабое собственное состояние - состав указывает на нарушение CP-инвариантности
Долгоживущий Каон				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 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 K_L ("K-long"), обычно распадается на три пиона и имеет время жизни 5.18×10⁻⁸ секунд.
2. Короткоживущий нейтральный каон, обозначаемый K_S ("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 K_L редко распадается на два пиона, привели к открытию нарушения CP-инвариантности (см. ниже).

Основные варианты распада для K⁺:

1. μ ⁺ ν_μ (лептонный, коэффициент ветвления BR = (63.43±0.17)%);
2. π ⁺ π⁰ (адронный, BR = (21.13±0.14)%);
3. π ⁺ π ⁺ π ⁻ (адронный, BR = (5.576±0.031)%);
4. π ⁺ π⁰π⁰ (адронный, BR = (1.73±0.04)%);
5. π⁰e ⁺ ν_e (полулептонный, BR = (4.87±0.06)%)

[править] Странность

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. было замечено 30 заряженных и 4 нейтральных V-частицы. 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.

[править] Нарушение чётности: загадка τ-θ

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⁺.

[править] Нарушение CP-симметрии в осцилляциях нейтральных мезонов

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.

[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 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 Авраамом Паисом в их совместной работе. Они рассмотрели CP-инвариантную временную эволюцию состояний с противоположной странностью. В матричных обозначениях можно написать

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.

[править] Смешивание

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 K_L (K-long) и K_S (K-short). CP-симметрия, которая в то время считалась незыблемой, предполагает, что K_S = K₁и K_L = K₂.

[править] Осцилляция

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 распадалась на позитрон. При первом анализе было выявлено соотношение между уровнем рождения электронов и позитронов из источников чистых K⁰ и их античастиц . 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, 10⁻¹⁵ массы каждого состояния.

[править] Восстановление

Поток нейтральных каонов в полете распадается так, что короткоживущий K_S исчезает, оставляя поток чистых долгоживущих K_L. Если этот поток проходит через материю, K⁰ и его античастица 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 . Такая суперпозиция является смесьюK_L и K_S;K_S 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 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 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 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, при малых ε (и в зависимости от нормировки),

K_L = K₂ + εK₁

и аналогично для K_S. Таким образом, иногда K_L распадается как K₁ с CP = +1, и аналогично K_S 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.

[править] 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

[править] Ссылки

• Particle data group on strange 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.