Каон

Квантовая частица

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

В физике элементарных частиц каон также называется K - мезоном и обозначается
К
, ^[a] — это любой из группы из четырех мезонов, отличающихся квантовым числом , называемым странностью . В кварковой модели они понимаются как 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 установлении основ Стандартной модели физики элементарных частиц, таких как кварковая модель адронов и теория смешивания кварков (последняя была признана Нобелевской премией по физике в 2008 году). Каоны сыграли выдающуюся роль в нашем понимании фундаментальных законов сохранения : нарушение CP , явление , порождающее наблюдаемую асимметрию материи-антиматерии Вселенной, было обнаружено в системе каонов в 1964 году (что было признано Нобелевской премией в 1980 году). Более того, прямое нарушение CP было обнаружено в распадах каонов в начале 2000-х годов экспериментом NA48 в ЦЕРНе 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 выше) положительно заряженная (содержащая верхний кварк и странный антикварк ) должна (в силу CPT-инвариантности ) иметь массу и время жизни, равные массе и времени жизни
   К⁻
   . Экспериментально разница масс составляет0,032 ± 0,090 МэВ , что соответствует нулю; разница во времени жизни составляет(0,11 ± 0,09) × 10−8  с , ^что также соответствует нулю.
3. 
   К⁰
   , нейтрально заряженный (содержащий нижний кварк и странный антикварк ) имеет массу497,648 ± 0,022 МэВ . Имеет средний квадрат зарядового радиуса−0,076 ± 0,01  фм 2 .
4. 
   К⁰
   , нейтрально заряженная (античастица, указанная выше) (содержащая странный кварк и нижний антикварк ) имеет одинаковую массу.

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

Кварковая структура каона (K ⁺ ).

^[*] 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 составе отсутствует малый член , нарушающий CP (см. смешивание нейтральных каонов). ^[‡] ^ Масса

К⁰
_ли
К⁰
_Сданы как у
К⁰
. Однако известно, что относительно небольшая разница между массами
К⁰
_ли
К⁰
_Спо заказу3,5 × 10−6  эВ/ ^c2 существует ^. [ ^6]

Хотя
К⁰
и его античастица
К⁰
обычно производятся посредством сильного взаимодействия , они распадаются слабо . Таким образом, после создания их лучше рассматривать как суперпозиции двух слабых собственных состояний , которые имеют совершенно разное время жизни:

• Долгоживущий нейтральный каон называется
  К
  _Л("K-long"), распадается в основном на три пиона и имеет среднее время жизни5,18 × 10−8  с .^​
• Короткоживущий нейтральный каон называется
  К
  _С(«K-short»), распадается в основном на два пиона и имеет среднее время жизни8,958 × 10−11  с .^​

  

  Кварковая структура антикаона (K ⁻ ).

( См. обсуждение смешивания нейтральных каонов ниже. )

Экспериментальное наблюдение, сделанное в 1964 году, показало, что К-лонги редко распадаются на два пиона, и стало открытием нарушения CP-симметрии (см. ниже).

Основные моды распада для
К⁺
:

Кварковая структура нейтрального каона (K ⁰ ).

Режимы распада для
К⁻
являются зарядовыми сопряжениями приведенных выше.

Нарушение паритета

Для заряженных странных мезонов были обнаружены два различных распада в пионы :

Внутренняя четность пиона равна P = −1 (поскольку пион является связанным состоянием кварка и антикварка, которые имеют противоположные четности, с нулевым угловым моментом), а четность является мультипликативным квантовым числом. Поэтому, предполагая, что родительская частица имеет нулевой спин, двухпионные и трехпионные конечные состояния имеют разные четности (P = +1 и P = −1 соответственно). Считалось, что начальные состояния также должны иметь разные четности и, следовательно, быть двумя различными частицами. Однако с более точными измерениями не было обнаружено никакой разницы между массами и временами жизни каждого, соответственно, что указывает на то, что они являются одной и той же частицей. Это было известно как загадка τ–θ . Она была решена только открытием нарушения четности в слабых взаимодействиях (что наиболее важно, экспериментом Ву ). Поскольку мезоны распадаются посредством слабых взаимодействий, четность не сохраняется, и два распада на самом деле являются распадами одной и той же частицы, ^[7] теперь называемыми
К⁺
.

История

Открытие адронов с внутренним квантовым числом «странность» знаменует начало самой захватывающей эпохи в физике элементарных частиц, которая даже сейчас, пятьдесят лет спустя, еще не нашла своего завершения... в общем и целом эксперименты были движущей силой развития, и основные открытия произошли неожиданно или даже вопреки ожиданиям, высказанным теоретиками. — Биги и Санда (2016) ^[8]

В 1944 году, во время поисков гипотетического ядерного мезона , Луи Лепренс-Ренге нашел доказательства существования положительно заряженной более тяжелой частицы. ^{[9] [10]}

В 1947 году Дж. Д. Рочестер и К. К. Батлер из Манчестерского университета опубликовали две фотографии событий, вызванных космическими лучами , сделанные в камере Вильсона. На одной из них было показано, что нейтральная частица распадается на два заряженных пиона, а на другой — заряженная частица распадается на заряженный пион и что-то нейтральное. Оценочная масса новых частиц была очень грубой, около половины массы протона. Другие примеры этих «V-частиц» появлялись медленно.

"Планшет k-трека", показывающий трехпионный режим распада каона. Каон входит слева и распадается в точке, обозначенной A

В 1949 году Розмари Браун (позже Розмари Фаулер), аспирантка Сесила Пауэлла из Бристольского университета , обнаружила свой «k»-трек, созданный частицей очень похожей массы, которая распалась на три пиона. ^{[11] [12] (стр. 82)}

Я сразу понял, что это что-то новое и будет очень важным. Мы видели вещи, которые не были видны раньше — вот что такое исследования в области физики элементарных частиц. Это было очень волнующе. — Фаулер (2024) ^[11]

Это привело к так называемой проблеме «тау-тета»: ^[13] то, что казалось одной и той же частицей (теперь называемой
К⁺
) распадался двумя различными способами: Тета на два пиона (четность +1), Тау на три пиона (четность −1). ^[12] Решение этой головоломки оказалось в том, что слабые взаимодействия не сохраняют четность . ^[7]

Первый прорыв был достигнут в Калтехе , где камера Вильсона была поднята на гору Вильсон для большего воздействия космических лучей. В 1950 году было сообщено о 30 заряженных и 4 нейтральных «V-частицах». Вдохновленные этим, в течение следующих нескольких лет были проведены многочисленные наблюдения на вершине горы, и к 1953 году использовалась следующая терминология: «L-мезон» для мюона или заряженного пиона ; «K-мезон» означал частицу, промежуточную по массе между пионом и нуклоном .

Лепренс-Ринке ввел до сих пор используемый термин « гиперон » для обозначения любой частицы тяжелее нуклона. ^{[9] [10]} Частица Лепренса-Ринке оказалась K ⁺ мезоном. ^{[9] [10]}

Распады были чрезвычайно медленными; типичное время жизни составляет порядка10 ⁻¹⁰  с . Однако образование в пион - протонных реакциях происходит гораздо быстрее, с временной шкалой10 ⁻²³  с . Проблема этого несоответствия была решена Авраамом Пайсом , который постулировал новое квантовое число, называемое « странностью », которое сохраняется в сильных взаимодействиях, но нарушается слабыми взаимодействиями . Странные частицы появляются в изобилии из-за «ассоциированного производства» странной и антистранной частиц вместе. Вскоре было показано, что это не может быть мультипликативным квантовым числом , поскольку это позволило бы проводить реакции, которые никогда не наблюдались в новых синхротронах , которые были введены в эксплуатацию в Брукхейвенской национальной лаборатории в 1953 году и в Лаборатории Лоуренса в Беркли в 1955 году.

Нарушение CP-инвариантности в нейтральных мезонных колебаниях

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

Нейтральное смешивание каонов

Два разных нейтральных К-мезона, несущие разную странность, могут превращаться друг в друга посредством слабых взаимодействий , поскольку эти взаимодействия не сохраняют странность. Странный кварк в анти-
К⁰
превращается в нижний кварк, последовательно поглощая два W-бозона противоположного заряда. Нижний антикварк в анти-
К⁰
испуская их, превращается в странный антикварк.

Поскольку нейтральные каоны несут странность, они не могут быть своими собственными античастицами. Тогда должно быть два разных нейтральных каона, отличающихся на две единицы странности. Тогда вопрос был в том, как установить наличие этих двух мезонов. Решение использовало явление, называемое нейтральными осцилляциями частиц , посредством которого эти два вида мезонов могут превращаться друг в друга посредством слабых взаимодействий, которые заставляют их распадаться на пионы (см. соседний рисунок).

Эти колебания были впервые исследованы Мюрреем Гелл-Манном и Авраамом Пайсом совместно. Они рассматривали CP-инвариантную временную эволюцию состояний с противоположной странностью. В матричной записи можно записать

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

где ψ — квантовое состояние системы, заданное амплитудами пребывания в каждом из двух базисных состояний (которые равны a и b в момент времени t  = 0). Диагональные элементы ( M ) гамильтониана обусловлены физикой сильного взаимодействия , которая сохраняет странность. Два диагональных элемента должны быть равны, поскольку частица и античастица имеют равные массы в отсутствие слабых взаимодействий. Недиагональные элементы, которые смешивают частицы с противоположной странностью, обусловлены слабыми взаимодействиями ; CP-симметрия требует, чтобы они были действительными.

Следствием того, что матрица H является действительной, является то, что вероятности двух состояний будут вечно колебаться взад и вперед. Однако, если какая-либо часть матрицы была мнимой, что запрещено симметрией CP , то часть комбинации будет уменьшаться со временем. Уменьшающаяся часть может быть либо одним компонентом ( a ), либо другим ( b ), или смесью двух.

Смешивание

Собственные состояния получаются путем диагонализации этой матрицы. Это дает новые собственные векторы, которые мы можем назвать K ₁ , что является разностью двух состояний противоположной странности, и K ₂ , что является суммой. Эти два являются собственными состояниями CP с противоположными собственными значениями; K ₁ имеет CP  = +1, а K ₂ имеет CP  = −1. Поскольку конечное состояние из двух пионов также имеет CP  = +1, только K ₁ может распадаться таким образом. K ₂ должен распадаться на три пиона. ^[14]

Поскольку масса K ₂ лишь немного больше суммы масс трех пионов, этот распад происходит очень медленно, примерно в 600 раз медленнее, чем распад K ₁ на два пиона. Эти два различных режима распада наблюдались Леоном Ледерманом и его коллегами в 1956 году, установив существование двух слабых собственных состояний (состояний с определенным временем жизни при распадах через слабое взаимодействие ) нейтральных каонов.

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

Колебание

Первоначально чистый луч
К⁰
превратится в свою античастицу,
К⁰
, при распространении, которая превратится обратно в исходную частицу,
К⁰
, и так далее. Это называется осцилляция частиц. При наблюдении слабого распада на лептоны было обнаружено, что
К⁰
всегда распадался на позитрон, тогда как античастица
К⁰
распался на электрон. Более ранний анализ дал соотношение между скоростью производства электронов и позитронов из источников чистого
К⁰
и его античастица
К⁰
. Анализ временной зависимости этого полулептонного распада показал явление осцилляции и позволил извлечь расщепление массы 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 . ^[15]

Регенерация

Пучок нейтральных каонов распадается в полете, так что короткоживущие
К
_Сисчезает, оставляя луч чистого долгоживущего
К
_Л. Если этот луч выстрелить в материю, то
К⁰
и его античастица
К⁰
взаимодействуют по-разному с ядрами.
К⁰
подвергается квазиупругому рассеянию с нуклонами , тогда как его античастица может создавать гипероны . Квантовая когерентность между двумя частицами теряется из-за различных взаимодействий, в которые по отдельности вступают два компонента. Возникающий пучок затем содержит различные линейные суперпозиции
К⁰
и
К⁰
. Такая суперпозиция представляет собой смесь
К
_Ли
К
_С;
К
_Срегенерируется путем пропускания нейтрального каонного пучка через вещество. ^[16] Регенерация наблюдалась Оресте Пиччони и его коллегами в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли . ^[17] Вскоре после этого Роберт Адэр и его коллеги сообщили об избыточном
К
_Свозрождение, тем самым открыв новую главу в этой истории.

нарушение КП

Пытаясь проверить результаты Адаира, Дж. Кристенсон, Джеймс Кронин , Вэл Фитч и Рене Терлей из Принстонского университета обнаружили распады
К
_Лв два пиона ( CP  = +1) в эксперименте, проведенном в 1964 году на синхротроне с переменным градиентом в лаборатории Брукхейвена . ^[18] Как объяснялось в предыдущем разделе, это требовало, чтобы предполагаемые начальное и конечное состояния имели разные значения CP , и, следовательно, немедленно предполагало нарушение CP . Альтернативные объяснения, такие как нелинейная квантовая механика и новая ненаблюдаемая частица ( гиперфотон ), вскоре были исключены, оставив нарушение CP как единственную возможность. Кронин и Фитч получили Нобелевскую премию по физике за это открытие в 1980 году.

Оказывается, что хотя
К
_Ли
К
_Сявляются слабыми собственными состояниями (потому что они имеют определенное время жизни для распада посредством слабого взаимодействия), они не являются вполне 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 его античастица. Существует также эффект прямого нарушения CP , при котором нарушение CP происходит во время самого распада. Оба присутствуют, поскольку и смешивание, и распад возникают из одного и того же взаимодействия с W-бозоном и, таким образом, имеют нарушение CP, предсказанное матрицей CKM . Прямое нарушение CP было обнаружено в распадах каонов в начале 2000-х годов экспериментами NA48 и KTeV в ЦЕРНе и Фермилабе. ^[19]

Смотрите также

• Адроны , мезоны , гипероны и аромат
• Странный кварк и модель кварка
• Четность (физика) , зарядовое сопряжение , симметрия относительно обращения времени , CPT-инвариантность и нарушение CP
• Осцилляция нейтрино
• Колебание нейтральной частицы

Сноски

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

Ссылки

1. Зила, Пенсильвания; и др. (2020). «Списки частиц - K±» (PDF) .
2. Зила, Пенсильвания; и др. (2020). «Списки частиц – K0» (PDF) .
3. Зила, Пенсильвания; и др. (2020). «Списки частиц - K0S» (PDF) .
4. MA Thomson. "The CKM Matrix and CP Violation" (PDF) . Cambridge HEP group . Получено 2024-06-02 .
5. "Четность, зарядовое сопряжение и CP" (PDF) . Университет Саутгемптона . Получено 2024-06-02 .
6. Зила, Пенсильвания; и др. (2020). «Списки частиц - K0L» (PDF) .
7. Lee, TD ; Yang, CN (1 октября 1956 г.). "Question of Parity Conservation in Weak Interactions". Physical Review . 104 (1): 254. Bibcode :1956PhRv..104..254L. doi : 10.1103/PhysRev.104.254 . Один из способов выхода из затруднения — предположить, что четность не сохраняется строго, так что
   Θ⁺
   и
   τ⁺
   представляют собой два различных режима распада одной и той же частицы, которая обязательно имеет одно значение массы и одно время жизни.
8. Биги, II; Санда, AI (2016-10-06). Нарушение CP . Кембриджские монографии по физике элементарных частиц, ядерной физике и космологии. Том 28 (5-е изд.). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-44349-4.
9. Дегранж, Бернар; Фонтен, Жерар; Флери, Патрик (2013). «Отслеживание вклада Луи Лепренса-Ренге в физику космических лучей». Physics Today . 66 (6): 8. Bibcode : 2013PhT....66f...8D. doi : 10.1063/PT.3.1989. ISSN  0031-9228.
10. Равель, Оливье (2012). "Ранние исследования космических лучей во Франции". В Ormes, Jonathan F. (ред.). Centenary Symposium 2012: Discovery of cosmic rays . AIP Conference Proceedings. Vol. 1516. Денвер, Колорадо: Американский институт физики . стр. 67–71. Bibcode :2013AIPC.1516...67R. doi :10.1063/1.4792542. ISBN 978-0-7354-1137-1.
11. "Физик-пионер, 98 лет, удостоен чести спустя 75 лет после открытия". BBC News . 2024-07-23 . Получено 2024-07-23 .
12. Brown, R.; Camerini, U.; Fowler, PH; Muirhead, H.; Powell, CF; Ritson, DM (1949). «Часть 2: Наблюдения с электронно-чувствительными пластинами, подверженными космическому излучению». Nature . 163 (4133): 82–87. Bibcode :1949Natur.163...82B. doi :10.1038/163082a0. S2CID  12974912.
      обратите внимание на тот же выпуск: Brown; et al. (1949). "Часть 1". Nature . 163 (4133): 47–51. doi :10.1038/163047a0. S2CID  4097342.
    
13. Шихи, Сьюзи (15.01.2024). «Как открытие забытого физика нарушило симметрию Вселенной». Nature . 625 (7995): 448–449. Bibcode :2024Natur.625..448S. doi :10.1038/d41586-024-00109-5 . Получено 23 июля 2024 г. .
14. * Гриффитс, DJ (1987). Введение в элементарные частицы . John Wiley & Sons . ISBN 0-471-60386-4.
15. Аоки, С.; Аоки, Ю.; Бечиревич, Д.; Блюм, Т.; Коланджело, Г.; Коллинз, С.; и др. (2020). «FLAG Review 2019». The European Physical Journal C. 80 ( 2): 113. arXiv : 1902.08191 . Bibcode : 2020EPJC...80..113A. doi : 10.1140/epjc/s10052-019-7354-7. S2CID  119401756.
16. Pais, A.; Piccioni, O. (1 декабря 1955 г.). «Заметка о распаде и поглощении θ⁰». Physical Review . 100 (5): 1487–1489. doi :10.1103/PhysRev.100.1487.
17. Good, RH; Matsen, RP; Muller, F.; Piccioni, O.; Powell, WM; White, HS; Fowler, WB; Birge, RW (15 ноября 1961 г.). «Регенерация нейтральных K-мезонов и их разность масс». Physical Review . 124 (4): 1223–1239. Bibcode :1961PhRv..124.1223G. doi :10.1103/PhysRev.124.1223.
18. Christenson, JH; Cronin, JW; Fitch, VL; Turlay, R. (27 июля 1964 г.). «Доказательства распада 2π мезона K20». Physical Review Letters . 13 (4): 138–140. Bibcode : 1964PhRvL..13..138C. doi : 10.1103/physrevlett.13.138 .
19. ANZIVINO, GIUSEPPINA (2001). "Измерение прямого нарушения Cp с помощью Na48". Multiparticle Dynamics . стр. 7–14. arXiv : hep-ph/0111393 . doi :10.1142/9789812778048_0002. ISBN 978-981-02-4844-4. S2CID  15184466.

Библиография

• Amsler, C.; Doser, M.; Antonelli, M.; Asner, D.; Babu, K.; Baer, ​​H.; et al. ( Particle Data Group ) (2008). "Обзор физики элементарных частиц" (PDF) . Physics Letters B. 667 ( 1): 1–1340. Bibcode : 2008PhLB..667....1A. doi : 10.1016/j.physletb.2008.07.018. hdl : 1854/LU-685594. S2CID  227119789. Архивировано из оригинала (PDF) 2020-09-07 . Получено 2019-12-13 .
• Eidelman, S.; Hayes, KG; Olive, KA; Aguilar-Benitez, M.; Amsler, C.; Asner, D.; et al. ( Particle Data Group ) (2004). "Обзор физики элементарных частиц". Physics Letters B. 592 ( 1): 1. arXiv : astro-ph/0406663 . Bibcode : 2004PhLB..592....1P. doi : 10.1016/j.physletb.2004.06.001.
• Модель кварков Дж ^{. Дж .} Коккеди
• Sozzi, MS (2008). Дискретные симметрии и нарушение CP . Oxford University Press . ISBN 978-0-19-929666-8.
• Биги, II; Санда, AI (2000). Нарушение CP . Издательство Кембриджского университета . ISBN 0-521-44349-0.
• Гриффитс, DJ (1987). Введение в элементарные частицы . John Wiley & Sons . ISBN 0-471-60386-4.

Внешние ссылки

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