К-мезоны

        каоны, группа нестабильных элементарных частиц, в которую входят две заряженные (К⁺, К^-) и две нейтральные (К⁰, ) частицы с нулевым Спином и массой приблизительно в 970 раз большей, чем масса электрона. К.-м. участвуют в сильных взаимодействиях (См. Сильные взаимодействия), т. е. являются адронами; они не имеют барионного заряда (См. Барионный заряд) и обладают отличным от нуля значением квантового числа странности (См. Странность) (S), характеризующей их поведение в процессах, обусловленных сильным взаимодействием: у К⁺ и К° S=+1, а у К^- и (являющихся античастицами (См. Античастицы) К⁺, К°) S = —1. Совместно с гиперонами (См. Гипероны) К.-м. образуют группу так называемых странных частиц (частиц, для которых S ≠ 0).

         К⁺ и К° одинаковым образом участвуют в сильных взаимодействиях, имеют приблизительно одинаковые массы и различаются лишь электрическим зарядом. Они могут быть объединены в одну группу — так называемый изотопический дублет (см. Изотопическая инвариантность) и рассматриваются как различные зарядовые состояния одной и той же частицы с изотопическим спином (См. Изотопический спин) I = ¹/₂. Аналогичную группу составляют и . Из-за различия в странности нейтральные К-м. К° и являются разными частицами, различным образом участвующими в сильных взаимодействиях.

         Согласно современной классификации элементарных частиц, К-м. (К⁺, К°, , ) вместе с π-мезонами (π⁺, π⁰, π^-) и η⁰-мезоном входят в одну группу (октет) частиц, приблизительно одинаково участвующих в сильных взаимодействиях.

         Открытие К-мезонов связано с работами большого числа учёных в различных странах. В 1947—51 в космических лучах (См. Космические лучи) было открыто несколько частиц, массы которых, измеренные с доступной в то время точностью, были приблизительно одинаковыми, а способы распада — разными.

         Табл. 1.— Основные характеристики и способы распада К-мезонов

        --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

        | Частица               | Масса m (Мэв)    | Странность S      | Время жизни τ:    | Способы              | Вероятность        |

        |                            |                            |                            | (сек)                    | распада               | распада (в %)      |

        |-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | К⁺                        | 494                      | +1                       | 1,2-10^-8                | μ^±+ν                    | 64                        |

        | К^-                        |                            | —1                      |                            | π^±+ π⁰                 | 21                        |

        |                            |                            |                            |                            | π^±+ π^—+ π⁺         | 5,57                     |

        |                            |                            |                            |                            | π^±+π⁰+π⁰            | 1,70                     |

        |                            |                            |                            |                            | μ^±+π⁰+ν               | 3,18                     |

        |                            |                            |                            |                            | e^±+π⁰+ν               | 4,85                     |

        |                            |                            |                            |                            | e^±+ν                    | 1,2-10^-5                |

        |-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | К⁰                        | 498                      | +1                       |                            | Распады на К-мезоны50% по схеме K⁰_S и на  |

        |                      |                            | —1                      |                            | К-мезоны50% по схеме и на K⁰_L (см. табл.     |

        |                            |                            |                            |                            | 2).                                                     |

        --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

        

         Табл. 2.— Основные способы распада K⁰_S и K⁰_L

        ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

        | Частица                    | Масса м                    | Время жизни τ (сек)   | Способы распада      | Вероятность             |

        |                                  |                                  |                                  |                                  | распада (в %)           |

        |-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | K⁰_S                            | ≈m_K⁰                         | 0,86-10^-10                   | π⁺+ π^—                     | 68,7                          |

        |                                  |                                  |                                  | π⁰+π⁰                        | 31,3                          |

        |-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | K⁰_L                            | ≈m_K⁰                         | 5,4-10^-8                      | π⁰+π⁰+π⁰                  | 21,5                          |

        |                                  | Разность масс:         |                                  | π⁺+π^—+π⁰                 | 12,6                          |

        |                                  | ^m K_L — ^m K_s ≈ 3-10^-6    |                                  | π^±+μ^±+ν                    | 26,8                          |

        |                                  | эв                             |                                  | π^±+e^±+ν                    | 38,8                          |

        |                                  |                                  |                                  | π⁺+ π^—                     | 0,16                          |

        |                                  |                                  |                                  | π⁰+π⁰                        | 0,12                          |

        |                                  |                                  |                                  | γ+ γ                          | 5-10^-4                        |

        ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

        

        Это были так называемые θ-мезоны, распадающиеся на два пи-мезона (См. Пи-мезоны), τ-мезоны, распадающиеся на три π-мезона, и др. Значит. прогресс в изучении этих частиц начался с 1954, когда их удалось получать с помощью ускорителей заряженных частиц (См. Ускорители заряженных частиц). Тщательные измерения масс и времён жизни показали, что во всех этих случаях наблюдались различные способы распада одних и тех же частиц, названных К-м.

         Открытие К-м. сыграло важную роль в физике элементарных частиц; оно помогло установить новую характеристику сильно взаимодействующих частиц (адронов) — странность и создать современную систематику адронов (см. Элементарные частицы). Изучение распадов К-м. дало первые сведения о несохранении в слабых взаимодействиях (См. Слабые взаимодействия) пространственной и зарядовой чётности, а также о нарушении комбинированной чётности (см. Чётность, Зарядовое сопряжение, Комбинированная инверсия).

         Сильные взаимодействия К-мезонов. Наличие у К-м. отличной от нуля странности S накладывает (из-за сохранения S в сильных взаимодействиях) характерный отпечаток на процессы сильных взаимодействий с участием К-м. Так, К⁺ и К⁰, имеющие S = +1, рождаются при столкновениях «нестранных» частиц — π-мезонов и нуклонов (протонов и нейтронов) — только совместно с гиперонами или , , имеющими отрицательное значение странности (см., например, в ст. Гипероны).

         Поскольку все гипероны имеют отрицательную странность, они легче рождаются в процессах, вызванных К^— и , чем в процессах, вызванных К⁺ и К⁰. Например, возможна реакция + р → Λ⁰ + π⁺, тогда как реакция К⁰ + р → Λ⁰ + π ⁺ запрещена законом сохранения странности в сильных взаимодействиях (здесь р — протон, Λ⁰ — гиперон). Рождение гиперонов в пучках К⁺, К⁰ менее вероятно, т.к. оно требует появления совместно с гипероном нескольких дополнительных К⁺ или К⁰.

         Поэтому медленные К⁺, К⁰ слабее взаимодействуют с веществом, чем , .

         Слабые взаимодействия К-мезонов. Распады К-м. обусловлены слабым взаимодействием и происходят с изменением странности на 1 (в слабых взаимодействиях странность не сохраняется). Распады могут осуществляться различными способами и подчиняются эмпирическим правилам, определяющим изменение странности, изотопического спина адронов и пр. (см. Отбора правила). В распадах К-м. не сохраняются пространственная и зарядовая чётности, что проявляется, например., в возможности распада как на 2 π-, так и на 3 π-мезона.

         Рисунок иллюстрирует процессы сильного и слабого взаимодействия К-м.

         Специфические свойства нейтральных К-мезонов. Выше отмечалось, что К⁰- и _-мезоны, отличаясь друг от друга значениями квантового числа странности, участвуют в процессах сильного взаимодействия как две различные частицы. Поскольку, однако, в процессах слабого взаимодействия, в частности в распадах К.-м., странность не сохраняется, оказываются возможными взаимные превращения K⁰ ⇔ _. Наличие таких переходов между частицей и античастицей, имеющими разные значения одного из квантовых чисел, характеризующих элементарные частицы, обусловливает специфические, уникальные свойства нейтральных К.-м. Для любых других частиц существование подобных переходов запрещено строгими законами сохранения электрического или барионного заряда (а также, по-видимому, и лептонного заряда (См. Лептонный заряд) для переходов нейтрино — антинейтрино).

         В вакууме благодаря переходам K⁰ ⇔ состояниями, имеющими определённую энергию и время жизни, будут не К⁰ и , а две квантово-механических суперпозиции этих состояний. Эти суперпозиции соответствуют частицам с различными массами и различными временами жизни: долгоживущему K⁰_L- и короткоживущему K⁰_S-meзонам. Разность масс K⁰_S и K⁰_L обусловлена слабым взаимодействием, вызывающим переходы K⁰ ⇔ , и весьма мала. Время жизни и способы распада K⁰_S и K⁰_L указаны в.

         Таким образом, в то время как в процессах, вызываемых сильным взаимодействием, проявляются состояния К⁰ и , обладающие определёнными значениями странности (сохраняющейся в сильном взаимодействии), в процессах слабого взаимодействия (в распадах) проявляются как частицы состояния K⁰_L и K⁰_S. Состояния K⁰_L и K⁰_S близки к суперпозициям состояний, которые называют K⁰₁ и K⁰₂:

         K⁰_s ≈ K⁰₁ = ,

         K⁰_L ≈ K⁰₂ = ,

         т. е. K⁰_L и K⁰_S приблизительно на 50% «состоят» из К⁰ и на 50% — из . Аналогичным образом можно утверждать, что К⁰ и приблизительно на 50% «состоят» из K⁰_S и на 50% — из K⁰_L тот факт, что состояния К⁰ и представляют суперпозицию двух состояний K⁰_L и K⁰_S разными массами и временами жизни, приводит к появлению своеобразных осцилляций («биений»): К⁰, возникая в результате сильного взаимодействия, на некотором расстоянии от точки рождения частично превращается за счёт слабого взаимодействия в и потому оказывается способным вызывать ядерные реакции, характерные для и запрещенные для К⁰, например реакцию + р → Λ⁰ + π ⁺ (эффект Пайса — Пиччони). Др. своеобразное явление — так называемая регенерация короткоживущих K⁰_S-meзонов при прохождении через вещество долгоживущих K⁰_L-meзонов: на достаточно больших расстояниях от места образования пучка К⁰ (или ) пучок состоит практически только из долгоживущих K⁰_L, т.к. короткоживущие K⁰_S распадаются раньше. Поэтому на таких расстояниях наблюдаются лишь распады, характерные для K⁰_L (). Казалось бы, K⁰_S не могут вновь появиться в пучке. Однако если пучок K⁰_L пропустить через слой вещества, то из-за различия во взаимодействиях с веществом К⁰ и , составляющих K⁰_L, изменяется относительный состав пучка и в пучке K⁰_L появляется добавка K⁰_S с характерными для K⁰_S распадами.

         Комбинации K⁰₁ и К⁰₂ обладают определённой симметрией относительно операции комбинированной инверсии (СР): при переходе от частиц к античастицам (операция зарядового сопряжения С) с одновременным пространственным отражением (операция Р) волновая функция, соответствующая состоянию K⁰₁, остаётся неизменной, а волновая функция К⁰₂ меняет знак. Поэтому состояние K⁰₁ может распадаться на 2π (систему, обладающую теми же свойствами относительно операции СР, что и K⁰₁), a K⁰₂ не может. Поскольку вероятность распада на 2π значительно превышает вероятности др. способов (каналов) распада, большое различие во временах жизни долго- и короткоживущих К-м. считалось указанием на существование в природе симметрии относительно операции комбинированной инверсии, а состояния K⁰_L и K⁰_S отождествлялись с K⁰₁ и К⁰₂. Однако в 1964 было установлено, что долгоживущий К-м. с вероятностью приблизительно 0,2% распадается на 2π. Это свидетельствует о нарушении СР-симметрии и об отличии состояний K⁰_L и K⁰_S от K⁰₁ и К⁰₂. Природа сил, нарушающих СР-симметрию, ещё не выяснена. Имеющиеся эксперимент. данные не противоречат возможности существования в природе особого «сверхслабого» взаимодействия, нарушающего симметрию СР и проявляющегося в распадах нейтральных К-м.

         Лит.: Марков М. А., Гипероны и К-мезоны, М., 1958; Далиц P., Странные частицы и сильные взаимодействия, пер. с англ., М., 1964; Окунь Л. Б., Слабое взаимодействие элементарных частиц, М., 1963; Ли Ц. и By Ц., Слабые взаимодействия пер. с англ., М., 1968; Газиорович С., Физика элементарных частиц, пер. с англ. М., 1969; Эдер Р. К., Фаулер Э. К., Странные частицы, пер. с англ., М., 1966.

         С. С. Герштейн.

        

        Схематическое изображение фотографии, полученной в водородной пузырьковой камере, иллюстрирующее процессы сильного и слабого взаимодействий К-мезонов. В точке 1 за счёт сильного взаимодействия происходит реакция К^-+p→Ω^-+К⁺+К⁰, в которой сохраняется странность. Распады образовавшихся частиц происходят в результате слабого взаимодействия с изменением странности на 1: К⁰→π⁺+π^- (в точке 2); Ω^-→Λ⁰+К^- (в точке 3); Λ⁰→p+π^- (в точке 4); К^-→π⁺+π^-+π^- (в точке 5). Треки частиц искривлены, так как камера находится в магнитном поле. Пунктиром обозначены треки нейтральных частиц, не оставляющие следа в камере.