Kaon

Kaon (neboli K-mezon [1] , značeno K ) je mezon obsahující jeden podivný antikvark a jeden u- nebo d-kvark (antikaony naopak obsahují jeden podivný kvark a jeden u- nebo d-antikvark). Kaony jsou nejlehčí ze všech podivných (to znamená, že mají nenulové kvantové číslo zvané podivnost ) hadronů .

Základní vlastnosti

Existují čtyři kaony s určitou hmotností:

Záporně nabitý K − (obsahující s-kvark a u-antikvark ) má hmotnost 493,667(16) MeV a životnost 1,2380(21)⋅10 −8 sekund.
Její antičástice , kladně nabitá K + (obsahující u-kvark a s-antikvark) musí mít podle CPT symetrie hmotnost a životnost rovnou hmotnosti a životnosti K − . Experimentálně naměřený hmotnostní rozdíl je 0,032(90) MeV, to znamená, že je kompatibilní s nulou. Rozdíl v životnosti je také nulový (experimentální výsledek: Δτ = 0,11(9)⋅10 −8 sekund).
K 0 (obsahující d-kvark a s-antikvark ) má hmotnost 497,614(24) MeV.
Jeho antičástice (obsahující s-kvark a d-antikvark ) má stejnou hmotnost. ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$

Z kvarkového modelu je zřejmé, že kaony tvoří dva isospinové dublety; to znamená, že patří k základní reprezentaci skupiny SU(2) nazývané 2 . Jeden dublet s podivností +1 a isospin +1/2 obsahuje K + a K 0 . Antičástice tvoří druhý dublet s podivností −1 a isospin −1/2.

Částice	Symbol	Anti částice	Kvarkové složení částice	Spin a parita , $J^{{\pi ))$	Hmotnost MeV / c² _	S	Doba života od	Rozejde se do	Poznámky
Nabitý kaon	${\mathrm {K^{+))}$	${\mathrm {K^{-}}}$	${\mathrm {u{\bar {s))))$	Pseudoskalární (0 − )	493,667(16)	+1	1,24⋅10 −8	μ + ν μ nebo π + +π 0 nebo π + +π + +π − nebo π 0 +e + +ν e
neutrální kaon	${\mathrm {K^{0))}$	${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$	${\mathrm {d{\bar {s))))$	Pseudoskalární (0 − )	497,614(24)	+1	slabý rozpad viz níže		Silný vlastní stát - bez určité životnosti
krátkodobý kaon	${\mathrm {K_{S}^{0))}$	${\mathrm {K_{S}^{0))}$	${\mathrm {{\frac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}({\sqrt {2}}}}}}$	Pseudoskalární (0 − )	497,614(24)	(*)	0,89⋅10 −10	π + + π − nebo 2π 0	Slabý vlastní stav - složení indikuje porušení CP
dlouhověký kaon	${\mathrm {K_{L}^{0))}$	${\mathrm {K_{L}^{0))}$	${\mathrm {{\frac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{{\sqrt {2}}}}}}$	Pseudoskalární (0 − )	497,614(24)	(*)	5,2⋅10−8 _	π ± +e ∓ +ν e nebo π ± +μ ∓ +ν μ nebo 3π 0 nebo π + +π 0 +π −	Slabý vlastní stav - složení indikuje porušení CP

Ačkoli K 0 a jeho antičástice obvykle pocházejí ze silné síly, rozpadají se prostřednictvím slabé síly. Proto je lze považovat za složení dvou slabých vlastních stavů, které mají velmi rozdílnou životnost: ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$

Dlouhodobý neutrální kaon, označený K L („K-long“), se obvykle rozpadá na tři piony a má životnost 5,18⋅10 −8 sekund.
Krátce žijící neutrální kaon, označený K S („K-short“), se obvykle rozpadá na dva piony a má životnost 8,958⋅10 −11 sekund.

( Viz diskuzi o míchání neutrálního kaonu níže. )

Experimenty v roce 1964, které ukázaly, že K L se zřídka rozpadá na dva piony, vedly k objevu porušení CP (viz níže).

Hlavní možnosti rozpadu pro K + jsou:

$\mu ^{+}\nu _{\mu }$ (lepton, faktor větvení BR = 63,55(11) %);
$\pi ^{+}\pi ^{0}$ (hadron, BR = 20,66(8) %);
$\pi ^{+}\pi ^{+}\pi ^{-}$ (hadron, BR = 5,59(4) %);
$\pi ^{0}e^{+}\nu _{e}$ (semileptonický, BR = 5,07(4) %);
$\pi ^{0}\mu ^{+}\nu _{{\mu }}$ (semileptonický, BR = 3,353(34) %);
$\pi ^{+}\pi ^{0}\pi ^{0}$ (hadron, BR = 1,761 (22) %).

Podivnost

Objev hadronů s vnitřním kvantovým číslem – „podivností“ – znamenal začátek nejúžasnější éry ve fyzice elementárních částic, která ani nyní, o padesát let později, nedosáhla svého konce... Byly to velké experimenty, které určily tento vývoj a hlavní objevy se objevily neočekávaně nebo dokonce navzdory teoretickým očekáváním.

- Bigi II , Sanda AI CP Violation New York: Cambridge Univ. Tisk, 2000. - 382 s. - ISBN 0-521-44349-0 .

V roce 1947 publikovali J. Rochester a C. K. Butler dvě fotografie událostí v oblačné komoře způsobených kosmickým zářením ; jeden ukázal neutrální částici rozpadající se na dva nabité piony a druhý nabitou částici rozpadající se na nabitý pion a něco neutrálního. Odhad hmotností nových částic byl hrubý – asi polovina hmotnosti protonu. Další příklady těchto "V-částic" se brzy neobjevily.

První průlom nastal na Caltechu , kde byla na Mt. Cloud převezena mlžná komora, aby bylo možné lépe pozorovat kosmické záření. V roce 1950 bylo pozorováno 30 nabitých a 4 neutrální částice V. Inspirováni tím, vědci provedli mnoho pozorování na vrcholu hory během několika příštích let a v roce 1953 byla přijata následující klasifikace: "L-mezon" znamenal mion nebo pion . "K-mezon" znamenal částici, která měla hmotnost mezi hmotností pionu a nukleonu . " Hyperon " znamenal jakoukoli částici těžší než nukleon.

Rozpady byly velmi pomalé; typická životnost byla řádově 10–10 sekund. Produkce částic v reakcích pion- proton však probíhala mnohem rychleji, s charakteristickým časem řádově 10 −23 s. Problém této nekonzistence vyřešil Abraham Pais , který předpokládal existenci nového kvantového čísla zvaného „ podivnost “, které je zachováno v silné interakci, ale nikoli ve slabé. Podivné částice se objevily ve velkém množství díky „spojenému zrození“ jak podivné, tak anti-podivné částice. Brzy se ukázalo, že nejde o multiplikativní kvantové číslo , protože jinak by byly povoleny reakce, které nebyly pozorovány na nových cyklotronech postavených v Brookhaven National Laboratory v roce 1953 a v Lawrence Berkeley National Laboratory v roce 1955.

Porušení parity: hlavolam θ-τ

U nabitých podivných mezonů byly nalezeny dva typy rozpadu:

θ + → π + + π 0
τ + → π + + π + + π − .

Protože dva konečné stavy mají různé parity , předpokládalo se, že počáteční stavy musí mít také různé parity, a proto se musí jednat o dvě různé částice. Přesnější měření však neukázala žádný rozdíl v jejich hmotnostech a životnosti, což dokazuje, že jde o stejné částice. Tento jev je známý jako θ-τ hlavolam . Bylo to vyřešeno pouze zjištěním porušení parity ve slabých interakcích . Protože se mezony rozpadají vlivem slabé síly, parita by neměla být zachována a oba rozpady by mohly být způsobeny jedinou částicí, nyní nazývanou K + .

Porušení CP v oscilacích neutrálního mezonu

Nejprve se věřilo, že i když je parita porušena, symetrie CP (náboj + parita) je zachována. Abychom porozuměli objevu narušení symetrie CP , musíme rozumět míšení neutrálních kaonů; tento jev nevyžaduje porušení CP, ale právě v tomto kontextu bylo poprvé pozorováno porušení CP.

Míchání neutrálních kaonů

Protože neutrální kaony mají podivnost, nemohou být svými vlastními antičásticemi. Pak musí existovat dva různé neutrální kaony, které se liší dvěma jednotkami podivnosti. Otázkou je, jak prokázat existenci těchto dvou mezonů. Řešení využívá jev nazývaný oscilace neutrálních částic , při kterém se tyto dva druhy mezonů mohou navzájem přeměnit slabou silou, která způsobí jejich rozpad na piony (viz přiložený obrázek).

Tyto oscilace poprvé zkoumali Murray Gell-Mann a Abraham Pais ve své společné práci. Uvažovali o CP-invariantní časové evoluci států s opačnou podivností. V maticovém zápisu lze psát

\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}}

kde ψ je kvantový stav systému, charakterizovaný amplitudami existence v každém ze dvou základních stavů (označených aab v čase t = 0 ) . Diagonální prvky ( M ) Hamiltoniánu odpovídají silné síle , která zachovává podivnost. Tyto dva diagonální prvky musí být stejné, protože částice a antičástice mají stejné hmotnosti v nepřítomnosti slabé síly. Mimodiagonální prvky, které mísí částice s opačnou podivností, jsou způsobeny slabou silou; CP symetrie vyžaduje, aby byly skutečné.

Je-li matice H skutečná, pravděpodobnosti obou stavů budou neustále kolísat tam a zpět. Pokud je však některá část matice imaginární, ačkoli to invariance CP zakazuje, část kombinace se časem sníží. Sestupná část může být buď jedna složka ( a ), nebo druhá ( b ), nebo směs obou.

Míchání

Vlastní stavy se získají diagonalizací této matice. To dává nové vlastní vektory, které můžeme nazvat K 1 , což je součet dvou stavů s opačnou podivností, a K 2 , což je rozdíl. Oba jsou vlastní stavy CP s opačnými vlastními hodnotami; K 1 má CP = +1 a K 2 má CP = −1. Protože konečný stav dvoupionů má také CP = +1, může se tímto způsobem rozpadnout pouze K 1 . K 2 se musí rozpadnout na tři piony. Protože hmotnost K 2 je o něco větší než součet hmotností tří pionů, je tento rozpad velmi pomalý, asi 600krát pomalejší než rozpad K 1 na dva piony. Tyto dvě cesty rozpadu byly pozorovány Leonem Ledermanem a kolegy v roce 1956 , kteří prokázali existenci dvou slabých vlastních stavů (stavů s určitou životností v rozpadu neutrálních kaonů prostřednictvím slabé interakce) neutrálních kaonů.

Tyto dva vlastní stavy byly pojmenovány K L (K-dlouhý) a K S (K-krátký). CP-symetrie , která byla v té době považována za neotřesitelnou, naznačuje, že K S = K 1 a K L = K 2 .

Oscilace

Zpočátku se čistý paprsek K 0 během šíření změní na své antičástice, které se pak změní zpět na počáteční částice a tak dále. Tento jev se nazývá oscilace částic. Při pozorování rozpadů na leptony se ukázalo, že K 0 se rozpadá vždy s emisí elektronu, zatímco antičástice - s emisí pozitronu. První analýza odhalila vztah mezi úrovní produkce elektronů a pozitronů ze zdrojů čistého K 0 a jejich antičástic . Analýza časové závislosti semileptonického rozpadu prokázala existenci jevu oscilace a umožnila objasnit štěpení hmoty mezi KS a K L . Protože existuje díky slabé síle, je velmi malý, 3,483(6)⋅10 −12 MeV (10 −15 hmotností každého stavu). ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$ ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$

Obnova

Paprsek neutrálních kaonů za letu se rozpadá tak, že krátkotrvající KS zmizí a zanechá proud čistého dlouhověkého K L . Pokud tento tok prochází hmotou, K 0 a jeho antičástice interagují s jádry odlišně. U K 0 dochází k kvazielastickému rozptylu nukleony , zatímco jeho antičástice může vytvářet hyperony . V důsledku odlišné interakce dvou složek se kvantová koherence mezi dvěma částicemi ztrácí. Výsledný tok obsahuje různé lineární superpozice K 0 a . Takovou superpozicí je směs KL a Ks ; tedy KS je obnoven, když paprsek neutrálních kaonů prochází hmotou. Obnovu pozoroval Oreste Piccioni a kolegové z Lawrence Berkeley National Laboratory . Krátce nato Robert Adair a jeho asistenti ohlásili nadměrné zotavení KS , čímž otevřeli novou kapitolu tohoto příběhu. ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$ ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$

Narušení CP-symetrie

Ve snaze ověřit Adairovy výsledky objevili v roce 1964 James Cronin a Val Fitch z BNL rozpad KL na dva piony (CP = +1). Jak je uvedeno výše , tento rozpad vyžaduje, aby zamýšlené počáteční a konečné stavy měly různé hodnoty CP, a proto okamžitě naznačuje porušení symetrie CP . Jiná vysvětlení, jako je nelinearita kvantové mechaniky nebo nová elementární částice ( hyperfoton ), byla brzy zavržena a narušení CP zůstalo jedinou možností. Za tento objev Cronin a Fitch obdrželi v roce 1980 Nobelovu cenu za fyziku .

Ukázalo se, že ačkoli jsou K L a KS slabé vlastní stavy (protože mají určitou životnost při rozpadu prostřednictvím slabé síly), nejsou to přesně stavy CP. Místo toho až do normalizačního faktoru

KL = K2 + εKi _

(a podobně pro K S ), kde ε je malý parametr. Občas se tedy K L rozpadne jako K 1 s CP = +1 a podobně se KS může rozpadnout jako K 2 s CP = -1. Tento jev je znám jako nepřímé narušení CP , narušení symetrie CP v důsledku smíchání K 0 a jeho antičástice. Dochází také k přímému porušení CP-symetrie , kdy k porušení dochází během samotného rozpadu. Oba efekty jsou pozorovány, protože jak míšení, tak rozpad pocházejí ze stejné interakce s bosonem W , a proto narušení CP předpovídá matice CMC .

Viz také

Hadrony , mezony , hyperony a aroma
S-kvark a kvarkový model
Parita (fyzika) , konjugace náboje , T-symetrie , invariance CPT a porušení CP
Oscilace neutrin

Poznámky

↑ KAONS • Velká ruská encyklopedie . Získáno 4. června 2016. Archivováno z originálu dne 23. dubna 2016. (neurčitý)

Odkazy

Particle data group (2010) na mezonech
Model kvarku , od JJJ Kokkedee
Porušení CP od II Bigi a A.I. Sanda (Cambridge University Press, 2000) ISBN 0-521-44349-0
Griffiths, David (1987). Úvod do elementárních částic. New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-60386-4 .
V. M. Terentiev. Rozpad a možné nezachování parity CP $K_{2}\rightarrow 2\pi$ . - UFN, vol. 86, 1965, no. 2, str. 231-262.
Cirigliano V. a kol. Kaon se ve standardním modelu rozpadá // Rev. Mod. Phys. . - 2012. - Sv. 84. - S. 399-447. - doi : 10.1103/RevModPhys.84.399 .

Částice ve fyzice

základní
částice

Fermiony

Kvarky	u d s C b t
Leptony	e -_ e + μ − • μ + τ − • τ + Neutrino ν e • ν e ν μ • ν μ ν τ • ν τ

bosony

Měřidlo	γ G W ± •Z 0
Skalární	Higgsův boson

Kompozitní
částice

hadrony

Baryony ( hyperony )	Nukleony p p n n Δ Λ Σ Ξ Ω Pentakvarky
mezony ( Quarkonia )	π η • η′ p ω φ J/ψ ϒ θ K B D T tetrakvarky

Sloučeniny základních a (nebo) složených částic

Obyčejný	Atomová jádra deuteron Triton Helion α atomy ionty Kationty Anionty molekul
Neobvyklý	Ve fyzice hyperjader : Λ -hypernuclei Hypervodík Hypertriton Σ -hyperjádra Exotické atomy : Mezoatomy Muonic Muonový vodík Hadronová pivoňka Kaonic Antiproton Σ -hyperonic Atomy leptonu pozitronium Muonium Dimuonium protonium Pivoňka mesomolekuly Dipositronium