Каона

План:

1 Основні властивості
2 Дивність
3 Порушення парності: загадка θ-τ
4 Порушення CP-симетрії в осциляції нейтральних мезонів
- 4.1 Змішування нейтральних каонов
- 4.2 Порушення CP-симетрії

Введення

Каона (або K-мезон, позначається K) - мезон, що містить один дивний антікварк і один u- або d-кварк (антікаони, навпаки, містять один дивний кварк і один u-або d-антикварк). Каонов - найлегші з усіх дивних (тобто мають ненульове квантове число, зване дивиною) адронів.

1. Основні властивості

Існують чотири каона з певною масою:

Негативно заряджений K ^- (містить s-кварк і u-антикварк) має масу 493,667 (16) МеВ і час життя 1,2380 (21) 10 ^-8 секунд.
Його античастинка, позитивно заряджений K ⁺ (містить u-кварк і s-антикварк) згідно CPT-симетрії повинен мати масу і час життя, рівні відповідно масі і часу життя K ^-. Експериментально виміряна різниця мас становить 0,032 (90) МеВ, тобто сумісна з нулем. Різниця в часі життя також нульова (експериментальний результат: Δτ = 0,11 (9) 10 ^-8 секунди).
K ⁰ (містить d-кварк і s-антикварк) має масу 497,614 (24) МеВ.
Його античастинка $\ Mathrm {\ bar {K} ^ 0}$ (Містить s-кварк і d-антикварк) має таку ж масу.

З кваркової моделі ясно, що каонов формують два ізоспінових дублету; тобто вони належать до фундаментальному поданням групи SU (2), званому 2. Один дублет зі дивиною +1 і ізоспіном +1 / 2 містить K ⁺ і K ^0. Античастинки формується другий дублет зі дивиною -1 і ізоспіном -1 / 2.

Частка	Символ	Анти- частинка	Кваркової склад частинки	Спін і парність, $J ^ {\ pi}$	Маса МеВ / C	S	Час життя з	Розпадається на	Примітки
Заряджений каона	$\ Mathrm {K ^ +}$	$\ Mathrm {K ^ -}$	$\ Mathrm {u \ bar {s}}$	Псевдоскаляром (0 ^-)	493,667 (16)	+1	1,24 10 ^-8	π ⁰ + e ^{+ +} ν _e або π ^{+ +} π ₀
Нейтральний каона	$\ Mathrm {K ^ 0}$	$\ Mathrm {\ bar {K} ^ 0}$	$\ Mathrm {d \ bar {s}}$	Псевдоскаляром (0 ^-)	497,614 (24)	+1	слабкий розпад		Сильне власний стан - немає певного часу життя
Короткоживучий каона	$\ Mathrm {K_S ^ 0}$	$\ Mathrm {K_S ^ 0}$	$\ Mathrm {\ frac {d \ bar {s} - s \ bar {d}} {\ sqrt {2}}}$	Псевдоскаляром (0 ^-)	497,614 (24)	(*)	0,89 10 ^-10	π ^{+ +} π ^- або 2π ⁰	Слабке власний стан - склад вказує на порушення CP-інваріантності
Довгоживучий каона	$\ Mathrm {K_L ^ 0}$	$\ Mathrm {K_L ^ 0}$	$\ Mathrm {\ frac {d \ bar {s} + s \ bar {d}} {\ sqrt {2}}}$	Псевдоскаляром (0 ^-)	497,614 (24)	(*)	5,2 10 ^-8	π ^{+ +} e ^- + ν _e	Слабке власний стан - склад вказує на порушення CP-інваріантності

Хоча K ⁰ і його античастинка $\ Mathrm {\ bar {K} ^ 0}$ зазвичай з'являються в результаті сильної взаємодії, вони розпадаються допомогою слабкої взаємодії. Отже, їх можна розглядати як композицію двох слабких власних станів, які мають дуже різні часи життя:

Довгоживучий нейтральний каона, що позначається K _L ("K-long"), зазвичай розпадається на три піона і має час життя 5,18 10 ^-8 секунд.
Короткоживучий нейтральний каона, що позначається K _S ("K-short"), зазвичай розпадається на два півонії і має час життя 8,958 10 ^-11 секунд.

(Див. обговорення змішування нейтральних каонов нижче.)

Експерименти 1964 р., що показали, що K _L рідко розпадається на два півонії, привели до відкриття порушення CP-інваріантності (див. нижче).

Основні варіанти розпаду для K ^+:

$\ Mu ^ + \ nu_ \ mu$ (Лептонний, коефіцієнт розгалуження BR = 63,55 (11)%);
$\ Pi ^ + \ pi ^ 0$ (Адронний, BR = 20,66 (8)%);
$\ Pi ^ + \ pi ^ + \ pi ^ -$ (Адронний, BR = 5,59 (4)%);
$\ Pi ^ 0E ^ + \ nu_e$ (Полулептонний, BR = 5,07 (4)%);
$\ Pi ^ 0 \ mu ^ + \ nu_ {\ mu}$ (Полулептонний, BR = 3,353 (34)%);
$\ Pi ^ + \ pi ^ 0 \ pi ^ 0$ (Адронний, BR = 1,761 (22)%).

2. Дивність

Відкриття адронів з внутрішнім квантовим числом - "дивацтвом" - поклало початок найбільш вражаючою епосі у фізиці елементарних частинок, яка навіть зараз, п'ятдесят років потому, не дійшла до свого завершення ... Саме великі експерименти визначили цей розвиток, і основні відкриття з'являлися несподівано або навіть всупереч очікуванням теоретиків. - II Bigi and AI Sanda, Порушення CP-інваріантності, (ISBN 0-521-44349-0)

В 1947 р. Дж. Рочестер і К. К. Батлер опублікували дві фотографії подій у камері Вільсона, викликаних космічними променями; на одній була показана нейтральна частинка, що розпадається на два заряджених півонії, а на іншій - заряджена частинка, що розпадається на заряджений півонія і щось нейтральне. Оцінка мас нових частинок була грубою - приблизно половина маси протона. Подальші приклади цих "V-частинок" з'явилися не скоро.

Перший прорив був здійснений в Калтеха, де камера Вільсона була доставлена на гору Вільсона для більш ефективного спостереження за космічними променями. В 1950 р. було відмічено 30 заряджених і 4 нейтральних V-частинки. Натхненні цим вчені проводили безліч спостережень на вершині гори в кілька наступних років і до 1953 р. була прийнята наступна класифікація: "L-мезон" означало мюон або півонія. "K-мезон" означало частинку, що мала масу між масами півонії і нуклона. " Гіперон "означало будь-яку частку важче нуклона.

Розпади були дуже повільними; типові часи життя були порядку 10 ^-10 секунди. Однак народження частинок в півонія- протонних реакціях відбувалося набагато швидше, з характерним часом порядку 10 ^-23 секунди. Проблема цієї невідповідності була вирішена Абрахамом Пайса, постулювати існування нового квантового числа, названого " дивацтвом ", яке зберігається при сильній взаємодії, але не зберігається при слабкому. Дивні частки з'являлися в великих кількостях через" пов'язаного народження "одночасно дивною і антістранной частинки. Незабаром було показано, що воно не є мультиплікативним квантовим числом, оскільки інакше були б дозволені реакції, які не спостерігались на нових циклотронах, побудованих в Брукхейвенської Національної лабораторії в 1953 р. і в Національної лабораторії Лоуренса в Берклі в 1955 р.

3. Порушення парності: загадка θ-τ

Для заряджених дивних мезонів було знайдено два типи розпаду:

θ ⁺ → π ^{+ +} π ⁰
τ ⁺ → π ^{+ +} π ^{+ +} π ^-.

Оскільки два кінцевих стани мають різну парність, передбачалося, що початкові стану також повинні мати різну парність, і отже бути двома різними частками. Однак більш точні вимірювання не показали ніякої різниці в їх масах і часах життя, довівши, що вони є однією і тією ж часткою. Це явище відоме як загадка θ-τ. Вона була вирішена тільки з відкриттям порушення парності в слабких взаємодіях. Оскільки мезони розпадаються за допомогою слабкої взаємодії, парність не повинна зберігатися, і два розпаду можуть бути викликані однією часткою, зараз званої K ^+.

4. Порушення CP-симетрії в осциляції нейтральних мезонів

Спершу вважалося, що, хоча парність порушується, CP (заряд + парність) симетрія зберігається. Щоб зрозуміти відкриття порушення CP-симетрії, необхідно зрозуміти змішування нейтральних каонов; це явище не вимагає порушення CP-симетрії, але саме в цьому контексті вперше спостерігалося порушення CP-симетрії.

4.1. Змішування нейтральних каонов

Два різних нейтральних K мезона, що мають різну дивина, можуть перетворюватися один в одного за допомогою слабкої взаємодії, оскільки в цій взаємодії не зберігається дивина. s-Кварк в K ⁰ перетворюється в d-кварк, випускаючи два W-бозона протилежних зарядів. d-антикварка в K ⁰ перетворюється в s-антикварк, поглинаючи їх.

Оскільки нейтральні каонов мають дивина, вони не можуть бути своїми власними античастинками. Тоді має бути два різних нейтральних каона, що розрізняються на дві одиниці дивацтва. Питання в тому, як встановити існування цих двох мезонів. Рішення використовує явище, назване осциляції нейтральних частинок, при якому ці два види мезонів можуть перетворюватися один в одного за допомогою слабкої взаємодії, яке змушує їх розпадатися на піони (див. доданий малюнок).

Ці осциляції вперше були досліджені Мюрреєм Гелл-Манном і Абрахамом Пайса в їхній спільній роботі. Вони розглянули CP-інваріантну тимчасову еволюцію станів з протилежного дивиною. У матричних позначеннях можна написати

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

де ψ - це квантовий стан системи, що характеризується амплітудами існування в кожному з двох основних станів (які позначені a і b під час t = 0). Діагональні елементи (M) гамільтоніана відповідають сильному взаємодії, при якому зберігається дивина. Два діагональних елемента повинні бути рівними, оскільки частка і античастинка мають рівні маси в відсутність слабкої взаємодії. Не лежать на діагоналі елементи, які змішують частинки з протилежного дивиною, викликані слабкою взаємодією; CP-симетрія вимагає, щоб вони були дійсними.

Якщо матриця H дійсна, ймовірності двох станів будуть вічно коливатися взад і вперед. Однак, якщо якась частина матриці буде уявної, хоча це заборонено CP-інваріантність, тоді частина комбінації з часом буде зменшуватися. Зменшуваною частиною може бути або одна компонента (a), або інша (b), або суміш обох.

4.1.1. Змішування

Власні стану виходять при діагоналізації цієї матриці. Це дає нові власні вектори, які ми можемо назвати K _1, який є сумою двох станів з протилежного дивиною, і K _2, який є різницею. Обидва вони є власний стан CP з протилежними власними значеннями; K ₁ має CP = +1, а K ₂ має CP = -1. Оскільки двухпіонное кінцевий стан також має CP = +1, тільки K ₁ може розпадатися цим шляхом. K ₂ повинен розпадатися на три півонії. Оскільки маса K ₂ трохи більше суми мас трьох півоній, цей розпад відбувається дуже повільно, приблизно в 600 разів повільніше, ніж розпад K ₁ на два півонії. Ці два шляхи розпаду спостерігалися Леоном Ледерманом і його колегами в 1956 р., які встановили існування двох слабких власних станів (станів з певним часом життя при розпаді нейтральних каонов допомогою слабкої взаємодії) нейтральних каонов.

Ці два власних стану були названі K _L (K-long) і K _S (K-short). CP-симетрія, яка в той час вважалася непорушною, припускає, що K _S = K ₁ і K _L = K _2.

4.1.2. Осциляція

Спочатку чистий пучок K ⁰ буде при розповсюдженні перетворюватися у свої античастинки, які потім будуть перетворюватися назад в початкові частки, і так далі. Це явище було названо осциляцією частинок. При спостереженнях розпадів на лептони з'ясувалося, що K ⁰ завжди розпадався з емісією електрона, в той час як античастинка $\ Mathrm {\ bar {K} ^ 0}$ - З емісією позитрона. При першому аналізі було виявлено співвідношення між рівнем народження електронів і позитронів з джерел чистих K ⁰ і їх античастинок $\ Mathrm {\ bar {K} ^ 0}$ . Аналіз залежності за часом полулептонного розпаду довів існування явища осциляцій і дозволив з'ясувати розщеплення мас між K _S і K _L. Оскільки воно існує завдяки слабкому взаємодії, воно дуже мало, 3,483 (6) 10 ^-12 МеВ (10 ^-15 маси кожного стану).

4.1.3. Відновлення

Пучок нейтральних каонов в польоті розпадається так, що короткоживучий K _S зникає, залишаючи потік чистих довгоживучих K _L. Якщо цей потік проходить через речовину, K ⁰ і його античастинка $\ Mathrm {\ bar {K} ^ 0}$ по-різному взаємодіють з ядрами. З K ⁰ відбувається квазіпружної розсіювання на нуклонах, в той час як його античастинка може створювати гіперонів. Через різного взаємодії двох компонент втрачається квантова когерентність між двома частками. Виникаючий потік містить різні лінійні суперпозиції K ⁰ і $\ Mathrm {\ bar {K} ^ 0}$ . Така суперпозиція є сумішшю K _L і K _S; таким чином, K _S відновлюється при проходженні пучка нейтральних каонов через речовину. Відновлення спостерігалося Оресте Піччоні і його колегами в Національної лабораторії Лоуренса в Берклі. Незабаром після цього, Роберт Адер зі своїми помічниками повідомив про надмірне відновленні K _S, тим самим відкривши нову главу в цій історії.

4.2. Порушення CP-симетрії

Намагаючись перевірити результати Адер, в 1964 р. Джеймс Кронін і Вел Фітч з BNL виявили розпад K _L на два півонії (CP = +1). Як зазначено вище, цей розпад вимагає, щоб передбачувані початкові і кінцеві стани мали різні значення CP, і, отже, негайно предполагет порушення CP-симетрії. Інші пояснення, такі як нелінійність квантової механіки або нова елементарна частинка, незабаром були відкинуті, залишивши порушення CP-симетрії єдиною можливістю. За це відкриття Кронін і Фітч отримали Нобелівську премію з фізики 1980 р.

З'ясувалося, що хоча K _L і K _S є слабкими власними станами (тому що вони мають певний час життя при розпаді допомогою слабкої взаємодії), вони не зовсім CP-стану. Замість цього, з точністю до нормувальні множника

K _L = K ₂ + εK ₁

(І аналогічно для K _S), де ε - малий параметр. Таким чином, зрідка K _L розпадається як K ₁ з CP = +1, і аналогічно K _S може розпадатися як K ₂ з CP = -1. Це явище відоме як непряме порушення CP-симетрії, порушення CP-симетрії через змішування K ⁰ і його античастинки. Існує також і пряме порушення CP-симетрії, при якому порушення відбувається при самому розпаді. Обидва ефекти спостерігаються, оскільки і змішування, і розпад походять від одного і того ж взаємодії з W-бозоном і, таким чином, порушення CP-симетрії передвіщається ККМ-матрицею.