Каон

Квантовая частица

Распад каона (
К⁺
) на три пиона  (2 
π⁺
, 1 
π⁻
) представляет собой процесс, в котором участвуют как слабые , так и сильные взаимодействия . Слабые взаимодействия  : Странный антикварк  (
с
) каона трансмутирует в ап-антикварк  (
ты
) выбросом
Вт⁺
бозон ; тот
Вт⁺
бозон впоследствии распадается на нижний антикварк   (
д
) и ап-кварк  (
ты
). Сильные взаимодействия : ап-кварк (
ты
) испускает глюон  (
г
), который распадается на даун-кварк (
д
) и даун-антикварк (
д
).

В физике элементарных частиц каон ( / ˈ k eɪ . ɒ n / ) , также называемый K-мезоном и обозначаемый
К
, ^[a] — любой из группы из четырех мезонов , отличающихся квантовым числом, называемым странностью . В кварковой модели под ними понимаются связанные состояния странного кварка (или антикварка) и верхнего или нижнего антикварка (или кварка).

Каоны оказались обильным источником информации о природе фундаментальных взаимодействий с момента их открытия в космических лучах в 1947 году . Они сыграли важную роль в создании основ Стандартной модели физики элементарных частиц, таких как кварковая модель адронов и теория смешения кварков (последнее было отмечено Нобелевской премией по физике в 2008 году). Каоны сыграли выдающуюся роль в нашем понимании фундаментальных законов сохранения : CP-нарушение , явление, порождающее наблюдаемую асимметрию вещества и антивещества во Вселенной, было обнаружено в каонной системе в 1964 году (что было отмечено Нобелевской премией в 1980 году). Более того, прямое CP-нарушение было обнаружено в распадах каонов в начале 2000-х годов экспериментом NA48 в ЦЕРН и экспериментом KTeV в Фермилабе .

Основные свойства

Четыре каона:

1. 
   К⁻
   , отрицательно заряженный (содержащий странный кварк и верхний антикварк ) имеет массу493,677 ± 0,013 МэВ и среднее время жизни (1,2380 ± 0,0020) × 10 ^-8  с .
2. 
   К⁺
   ( 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, равным времени жизни
   К⁻
   . Экспериментально разница масс равна0,032 ± 0,090 МэВ , что соответствует нулю; разница в продолжительности жизни(0,11 ± 0,09) × 10 ⁻⁸  с , что также соответствует нулю.
3. 
   К⁰
   , нейтрально заряженный (содержащий даун-кварк и странный антикварк ) имеет массу497,648 ± 0,022 МэВ . Он имеет среднеквадратичный зарядовый радиус−0,076 ± 0,01  фм 2 .
4. 
   К⁰
   , нейтрально заряженная (античастица, описанная выше) (содержащая странный кварк и нижний антикварк ) имеет одинаковую массу.

Как показывает кварковая модель , предполагается, что каоны образуют два дублета изоспина ; то есть они принадлежат фундаментальному представлению SU (2), называемому 2 . Один дублет странности +1 содержит
К⁺
и
К⁰
. Античастицы образуют другой дублет (странности -1).

Кварковая структура каона (К ⁺ ).

^[*] См. Примечания о нейтральных каонах в статье « Список мезонов и смешивание нейтральных каонов» ниже.
^[§] ^ Сильное собственное состояние . Нет определенного времени жизни (см. смешивание нейтральных каонов).
^[†] ^ Слабое собственное состояние . В макияже отсутствует небольшой член , нарушающий CP (см. Смешение нейтральных каонов). ^[‡] ^ Масса

К⁰
_ли
К⁰
_Сданы как
К⁰
. Однако известно, что сравнительно незначительная разница между массами
К⁰
_ли
К⁰
_Св порядке3,5 × 10 ⁻⁶  эВ/ с ² существует. ^[5]

Хотя
К⁰
и ее античастица
К⁰
обычно производятся посредством сильного взаимодействия , они распадаются слабо . Таким образом, после создания их лучше рассматривать как суперпозиции двух слабых собственных состояний , время жизни которых сильно различается:

• Долгоживущий нейтральный каон называется
  К
  _л(«K-длинный»), распадается в основном на три пиона и имеет среднее время жизни5,18 × 10 ⁻⁸  с .
• Короткоживущий нейтральный каон называется
  К
  _С(«K-короткий»), 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-длинные пионы редко распадаются на два пиона, стало открытием CP-нарушения (см. ниже).

Основные моды распада для
К⁺
:

Кварковая структура нейтрального каона (К ⁰ ).

Режимы затухания
К⁻
являются зарядово-сопряженными с указанными выше.

Нарушение четности

Для заряженных странных мезонов были обнаружены два разных распада:

Внутренняя четность пиона равна P = −1, а четность — это 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, представлять собой две разные частицы. Однако при более точных измерениях не было обнаружено никакой разницы между массами и временем жизни каждой из них соответственно, что указывает на то, что это одна и та же частица. Это было известно как головоломка τ–θ . Она разрешилась лишь открытием нарушения четности в слабых взаимодействиях . Поскольку мезоны распадаются в результате слабых взаимодействий, четность не сохраняется, и оба распада фактически представляют собой распады одной и той же частицы, ^[6] которая теперь называется
К⁺
.

История

Открытие адронов со «странностью» внутреннего квантового числа знаменует собой начало самой захватывающей эпохи в физике элементарных частиц, которая даже сейчас, пятьдесят лет спустя, еще не нашла своего завершения... в целом эксперименты стимулировали развитие, и что крупные открытия произошли неожиданно или даже вопреки ожиданиям теоретиков. - Биги и Санда (2016) ^[7]

В поисках гипотетического ядерного мезона Луи Лепренс-Ренге в 1944 году нашел доказательства существования положительно заряженной более тяжелой частицы. ^{[8] [9]}

В 1947 году Дж. Д. Рочестер и К. С. Батлер из Манчестерского университета опубликовали две фотографии событий, вызванных космическими лучами , с помощью камеры Вильсона : одна показала то, что выглядело как нейтральная частица, распадающаяся на два заряженных пиона, а другая, которая, по всей видимости, представляла собой распад заряженной частицы. на заряженный пион и что-то нейтральное. Предполагаемая масса новых частиц была очень приблизительной — около половины массы протона. Новые примеры этих «V-частиц» появлялись медленно.

В 1949 году Розмари Браун (позже Розмари Фаулер ), студентка-исследователь Бристольской группы К. Ф. Пауэлла, заметила свой «k»-трек, оставленный частицей очень похожей массы, которая распалась на три пиона. ^{[10] (стр. 82)} Это привело к так называемой проблеме «тау-тета»: то, что казалось одними и теми же частицами (теперь называемыми
К⁺
) распался на две разные моды: Тета на два пиона (четность +1), Тау на три пиона (четность -1). ^[10] Решение этой загадки оказалось в том, что слабые взаимодействия не сохраняют четность .

Первый прорыв был достигнут в Калифорнийском технологическом институте , где на горе Вильсон была установлена ​​камера Вильсона для большего воздействия космических лучей. В 1950 году было зарегистрировано 30 заряженных и 4 нейтральных «V-частицы». Вдохновленные этим, в течение следующих нескольких лет на вершинах гор были проведены многочисленные наблюдения, и к 1953 году использовалась следующая терминология: «L-мезон» для мюона или заряженного пиона ; «К-мезон» означал частицу, промежуточную по массе между пионом и нуклоном .

Лепренс-Ринке ввел термин « гиперон », который до сих пор используется для обозначения любой частицы тяжелее нуклона. ^{[8] [9]} Частица Лепренса-Ренге оказалась К ⁺ -мезоном. ^{[8] [9]}

Распад был чрезвычайно медленным; типичный срок службы составляет порядка10–10  с . ^_ Однако рождение в пион - протонных реакциях происходит гораздо быстрее, с временными масштабами10 ⁻²³  с . Проблема этого несоответствия была решена Абрахамом Пайсом , который постулировал новое квантовое число, названное « странностью », которое сохраняется в сильных взаимодействиях , но нарушается при слабых взаимодействиях . Странные частицы появляются в большом количестве из-за «связанного образования» странной и антистранной частиц вместе. Вскоре было показано, что это не может быть мультипликативное квантовое число , поскольку оно позволило бы проводить реакции, которые никогда не наблюдались в новых синхротронах , введенных в эксплуатацию в Брукхейвенской национальной лаборатории в 1953 году и в лаборатории Лоуренса Беркли в 1955 году.

CP-нарушение в осцилляциях нейтральных мезонов

Первоначально считалось, что хотя четность и нарушена, симметрия CP (зарядовой четности) сохраняется. Чтобы понять открытие CP-нарушения , необходимо понять смешивание нейтральных каонов; это явление не требует нарушения CP, но это контекст, в котором нарушение CP было впервые обнаружено.

Смешивание нейтральных каонов

Два разных нейтральных К-мезона, несущих разную странность, могут превращаться один в другой посредством слабых взаимодействий , поскольку эти взаимодействия не сохраняют странность. Странный кварк в анти-
К⁰
превращается в даун-кварк путем последовательного поглощения двух W-бозонов противоположного заряда. Нижний антикварк в анти-
К⁰
испуская их, превращается в странный антикварк.

Поскольку нейтральные каоны несут в себе странность, они не могут быть собственными античастицами. Тогда должно быть два разных нейтральных каона, отличающихся двумя единицами странности. Тогда встал вопрос, как установить наличие этих двух мезонов. В решении использовалось явление, называемое осцилляциями нейтральных частиц , благодаря которому эти два вида мезонов могут превращаться один в другой посредством слабых взаимодействий, которые заставляют их распадаться на пионы (см. рисунок рядом).

Эти колебания были впервые исследованы Мюрреем Гелл-Манном и Абрахамом Пайсом вместе. Они рассмотрели CP-инвариантную во времени эволюцию состояний с противоположной странностью. В матричной записи 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 пребывания в каждом из двух базисных состояний (которые представляют собой a и b в момент времени t  = 0). Диагональные элементы ( M ) гамильтониана обусловлены физикой сильных взаимодействий , которая сохраняет странность. Два диагональных элемента должны быть равны, поскольку частица и античастица имеют равные массы в отсутствие слабых взаимодействий. Недиагональные элементы, которые смешивают противоположные частицы странности, возникают из-за слабых взаимодействий ; CP-симметрия требует, чтобы они были реальными.

Следствием того, что матрица H реальна, является то, что вероятности двух состояний будут всегда колебаться взад и вперед. Однако если какая-либо часть матрицы была мнимой, что запрещено CP-симметрией , то часть комбинации со временем уменьшится. Убывающая часть может представлять собой либо один компонент ( а ), либо другой компонент ( б ), либо их смесь.

Смешивание

Собственные состояния получаются путем диагонализации этой матрицы. Это дает новые собственные векторы, которые мы можем назвать K ₁ , который представляет собой разность двух состояний противоположной странности, и K ₂ , который представляет собой сумму. Эти два состояния 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 распасться таким образом. K ₂ должен распасться на три пиона . ^[11]

Поскольку масса К ₂ лишь немногим превышает сумму масс трех пионов, этот распад протекает очень медленно, примерно в 600 раз медленнее, чем распад К ₁ на два пиона. Эти два разных режима распада наблюдались Леоном Ледерманом и его коллегами в 1956 году, установив существование двух слабых собственных состояний (состояний с определенным временем жизни при распаде под действием слабого взаимодействия ) нейтральных каонов.

Эти два слабых собственных состояния называются
К
_л(K-длина, τ) и
К
_С(К-короткий, θ). CP-симметрия , которая предполагалась в то время, подразумевает, что
К
_С =  К ₁ и
К
_л =  К ₂ .

Колебания

Изначально чистый пучок
К⁰
превратится в свою античастицу,
К⁰
, распространяясь, которая снова превратится в исходную частицу,
К⁰
, и так далее. Это называется колебанием частицы. При наблюдении слабого распада на лептоны было обнаружено, что
К⁰
всегда распадался на позитрон, тогда как античастица
К⁰
распался на электрон. Более ранний анализ выявил связь между скоростью образования электронов и позитронов из источников чистого
К⁰
и ее античастица
К⁰
. Анализ временной зависимости этого полулептонного распада показал явление осцилляций и позволил извлечь массовое расщепление между
К
_Си
К
_л. 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 . ^[12]

Регенерация

Пучок нейтральных каонов распадается в полете, так что недолговечные
К
_Сисчезает, оставляя луч чистого долгоживущего
К
_л. Если этот луч выстрелить в материю, то
К⁰
и ее античастица
К⁰
по-разному взаимодействуют с ядрами.
К⁰
подвергается квазиупругому рассеянию на нуклонах , тогда как его античастица может создавать гипероны . Квантовая когерентность между двумя частицами теряется из-за различных взаимодействий, в которых участвуют два компонента по отдельности. Возникающий луч тогда содержит различные линейные суперпозиции
К⁰
и
К⁰
. Такая суперпозиция представляет собой смесь
К
_ли
К
_С; тот
К
_Срегенерируется путем пропускания пучка нейтральных каонов через вещество. ^[13] Регенерацию наблюдал Орест Пиччиони и его сотрудники в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли . ^[14] Вскоре после этого Роберт Адэр и его коллеги сообщили о превышении
К
_Срегенерации, открывая тем самым новую главу в этой истории.

нарушение CP

Пытаясь проверить результаты Адэра, Дж. Кристенсон, Джеймс Кронин , Вэл Фитч и Рене Терлей из Принстонского университета обнаружили распады
К
_лна два пиона ( CP  = +1) в эксперименте, проведенном в 1964 году на синхротроне переменного градиента в Брукхейвенской лаборатории . ^[15] Как объяснялось в предыдущем разделе, это требовало, чтобы предполагаемые начальное и конечное состояния имели разные значения CP , и, следовательно, сразу предполагалось нарушение CP . Альтернативные объяснения, такие как нелинейная квантовая механика и новая ненаблюдаемая частица ( гиперфотон ), вскоре были исключены, оставив нарушение CP единственной возможностью. За это открытие Кронин и Fitch получили Нобелевскую премию по физике в 1980 году.

Оказывается, хотя
К
_ли
К
_Сявляются слабыми собственными состояниями (поскольку они имеют определенное время жизни для распада под действием слабого взаимодействия), они не совсем являются CP- собственными состояниями. Вместо этого для малых ε (и с точностью до нормировки)

К
_л= К ₂ + ε К ₁

и аналогично для
К
_С. Таким образом, иногда
К
_лраспадается как K ₁ с CP  = +1, и аналогично
К
_Сможет распадаться с CP  = −1. Это известно как косвенное нарушение CP , нарушение CP из-за смешивания
К⁰
и ее античастица. Существует также прямой эффект нарушения CP , при котором нарушение CP происходит во время самого распада. Оба присутствуют, потому что и смешивание, и распад возникают в результате одного и того же взаимодействия с W-бозоном и, следовательно, имеют нарушение CP, предсказанное матрицей CKM . Прямое CP-нарушение было обнаружено в распадах каонов в начале 2000-х годов в экспериментах NA48 и KTeV в ЦЕРН и Фермилаб. ^[16]

Смотрите также

• Адроны , мезоны , гипероны и аромат.
• Странный кварк и кварковая модель
• Четность (физика) , зарядовое сопряжение , симметрия обращения времени , CPT-инвариантность и CP-нарушение
• Нейтринные осцилляции
• Колебания нейтральных частиц

Сноски

1. До 1960-х годов положительно заряженный каон назывался τ ⁺ или θ ⁺ , поскольку считалось, что это две разные частицы. См. § Нарушение четности.

Рекомендации

1. Зила, Пенсильвания; и другие. (2020). «Списки частиц - K±» (PDF) .
2. Зила, Пенсильвания; и другие. (2020). «Списки частиц - K0» (PDF) .
3. Зила, Пенсильвания; и другие. (2020). «Списки частиц - K0S» (PDF) .
4. Р. Нейв. «Каоны и другие странные мезоны». Гиперфизика . Проверено 26 января 2024 г.
5. Зила, Пенсильвания; и другие. (2020). «Списки частиц - K0L» (PDF) .
6. Ли, ТД ; Ян, Китай (1 октября 1956 г.). «Вопрос о сохранении четности в слабых взаимодействиях». Физический обзор . 104 (1): 254. Бибкод : 1956PhRv..104..254L. дои : 10.1103/PhysRev.104.254 . Один из способов решения этой проблемы состоит в том, чтобы предположить, что четность не сохраняется строго, так что
   Θ⁺
   и
   τ⁺
   Это две разные моды распада одной и той же частицы, которая обязательно имеет одно значение массы и одно время жизни.
7. Биги, II; Санда, AI (06 октября 2016 г.). Нарушение КП . Кембриджские монографии по физике элементарных частиц, ядерной физике и космологии. Том. 28 (5-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-44349-4.
8. Дегранж, Бернар; Фонтен, Жерар; Флери, Патрик (2013). «Отслеживание вклада Луи Лепренса-Ренге в физику космических лучей». Физика сегодня . 66 (6): 8. Бибкод :2013PhT....66f...8D. дои : 10.1063/PT.3.1989. ISSN  0031-9228.
9. Равель, Оливье (2012). «Ранние исследования космических лучей во Франции». В Ормсе, Джонатан Ф. (ред.). Столетний симпозиум 2012: Открытие космических лучей . Материалы конференции AIP. Том. 1516. Денвер, Колорадо: Американский институт физики . стр. 67–71. Бибкод : 2013AIPC.1516...67R. дои : 10.1063/1.4792542. ISBN 978-0-7354-1137-1.
10. Браун, Р.; Камерини, Ю.; Фаулер, PH; Мюрхед, Х.; Пауэлл, CF; Ритсон, DM (1949). «Часть 2: Наблюдения с электронно-чувствительными пластинами, подвергшимися воздействию космического излучения». Природа . 163 (4133): 82–87. Бибкод : 1949Natur.163...82B. дои : 10.1038/163082a0. S2CID  12974912.
      обратите внимание на ту же проблему: Браун; и другие. (1949). «Часть 1». Природа . 163 (4133): 47–51. дои : 10.1038/163047a0. S2CID  4097342.
    
11. * Гриффитс, ди-джей (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Уайли и сыновья . ISBN 0-471-60386-4.
12. Аоки, С.; Аоки, Ю.; Бечиревич, Д.; Блюм, Т.; Коланджело, Дж.; Коллинз, С.; и другие. (2020). «ФЛАГ Обзор 2019». Европейский физический журнал C . 80 (2): 113. arXiv : 1902.08191 . Бибкод : 2020EPJC...80..113A. doi : 10.1140/epjc/s10052-019-7354-7. S2CID  119401756.
13. Паис, А.; Пиччиони, О. (1 декабря 1955 г.). «Заметка о распаде и поглощении θ⁰». Физический обзор . 100 (5): 1487–1489. дои : 10.1103/PhysRev.100.1487.
14. Хорошо, Р.Х.; Мацен, Р.П.; Мюллер, Ф.; Пиччиони, О.; Пауэлл, В.М.; Белый, ХС; Фаулер, ВБ; Бирге, RW (15 ноября 1961 г.). «Регенерация нейтральных K-мезонов и разница их масс». Физический обзор . 124 (4): 1223–1239. Бибкод : 1961PhRv..124.1223G. дои : 10.1103/PhysRev.124.1223.
15. Кристенсон, Дж. Х.; Кронин, Дж.В.; Фитч, В.Л.; Терли, Р. (27 июля 1964 г.). «Доказательства 2π-распада мезона K20». Письма о физических отзывах . 13 (4): 138–140. Бибкод : 1964PhRvL..13..138C. дои : 10.1103/physrevlett.13.138 .
16. АНЦИВИНО, ДЖУЗЕППИНА (2001). «Измерение прямого нарушения Cp с помощью Na48». Многочастичная динамика . стр. 7–14. arXiv : hep-ph/0111393 . дои : 10.1142/9789812778048_0002. ISBN 978-981-02-4844-4. S2CID  15184466.

Библиография

• Амслер, К.; Дозер, М.; Антонелли, М.; Аснер, Д.; Бабу, К.; Баер, Х.; и другие. ( Группа данных о частицах ) (2008). «Обзор физики элементарных частиц» (PDF) . Буквы по физике Б. 667 (1): 1–1340. Бибкод : 2008PhLB..667....1A. doi :10.1016/j.physletb.2008.07.018. hdl : 1854/LU-685594. S2CID  227119789.
• Эйдельман, С.; Хейс, КГ; Олив, Калифорния; Агилар-Бенитес, М.; Амслер, К.; Аснер, Д.; и другие. ( Группа данных о частицах ) (2004). «Обзор физики элементарных частиц». Буквы по физике Б. 592 (1): 1. arXiv : astro-ph/0406663 . Бибкод : 2004PhLB..592....1P. doi :10.1016/j.physletb.2004.06.001.
• Модель кварков Дж ^{. Дж .} Коккеди
• Соцци, М.С. (2008). Дискретные симметрии и CP-нарушение . Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0-19-929666-8.
• Биги, II; Санда, А.И. (2000). Нарушение КП . Издательство Кембриджского университета . ISBN 0-521-44349-0.
• Гриффитс, диджей (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Уайли и сыновья . ISBN 0-471-60386-4.

Внешние ссылки

• Нейтральный К-мезон – Фейнмановские лекции по физике
• СМИ, связанные с Каоном, на Викискладе?