Kaon

A kaon (vagy K-mezon [1] , jelölése K ) egy mezon , amely egy furcsa antikvarkot és egy u- vagy d-kvarkot tartalmaz (az antikváriumok éppen ellenkezőleg, egy furcsa kvarkot és egy u- vagy d-antikvarkot tartalmaznak). A kaonok a legkönnyebbek az összes furcsaság közül (vagyis nem nulla kvantumszámmal rendelkeznek , amit furcsaságnak neveznek ) hadronok .

Alaptulajdonságok

Négy kaon van egy bizonyos tömeggel:

A negatív töltésű K − (amely egy s-kvarkot és egy u-antikvarkot tartalmaz) tömege 493,667(16) MeV , élettartama pedig 1,2380(21)⋅10 −8 másodperc.
A pozitív töltésű K + antirészecskéjének (amely u-kvarkot és s-antikvarkot tartalmaz) a CPT szimmetria szerint tömegének és élettartamának meg kell egyeznie a K - tömegével és élettartamával . A kísérletileg mért tömegkülönbség 0,032(90) MeV, azaz kompatibilis a nullával. Az élettartam különbsége is nulla (kísérleti eredmény: Δτ = 0,11(9)⋅10 −8 másodperc).
A K 0 (amely egy d-kvarkot és egy s-antikvarkot tartalmaz) tömege 497,614(24) MeV.
Antirészecskéje (amely s-kvarkot és d-antikvarkot tartalmaz) azonos tömegű. ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$

A kvark modellből világosan látszik, hogy a kaonok két izospin dublettet alkotnak; vagyis az SU(2) csoport alapvető reprezentációjához , az úgynevezett 2 -hez tartoznak . Egy dublett furcsasággal +1 és izospin +1/2 tartalmaz K + és K 0 . Az antirészecskék egy második dublettet képeznek furcsasággal -1 és izospin -1/2.

Részecske	Szimbólum	Anti részecske	A részecske kvark összetétele	Pörgés és paritás , $J^{{\pi ))$	Tömeg MeV / c²_ _	S	Élettartam tól	Felszakad	Megjegyzések
Feltöltött kaon	${\mathrm {K^{+))}$	${\mathrm {K^{-}}}$	${\mathrm {u{\bar {s))))$	Pszeudoszkaláris (0 − )	493.667(16)	+1	1,24⋅10 −8	μ + ν μ vagy π + +π 0 vagy π + +π + +π − vagy π 0 +e + +ν e
semleges kaon	${\mathrm {K^{0))}$	${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$	${\mathrm {d{\bar {s))))$	Pszeudoszkaláris (0 − )	497.614(24)	+1	gyenge bomlás lásd alább		Erős saját állapot – nincs határozott élettartam
rövid életű kaon	${\mathrm {K_{S}^{0))}$	${\mathrm {K_{S}^{0))}$	${\mathrm {{\frac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}({\sqrt {2}}}}}}$	Pszeudoszkaláris (0 − )	497.614(24)	(*)	0,89⋅10 −10	π + + π − vagy 2π 0	Gyenge sajátállapot - az összetétel a CP megsértését jelzi
hosszú életű kaon	${\mathrm {K_{L}^{0))}$	${\mathrm {K_{L}^{0))}$	${\mathrm {{\frac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{{\sqrt {2}}}}}}$	Pszeudoszkaláris (0 − )	497.614(24)	(*)	5,2⋅10-8 _	π ± +e ∓ +ν e vagy π ± +μ ∓ +ν μ vagy 3π 0 vagy π + +π 0 +π −	Gyenge sajátállapot - az összetétel a CP megsértését jelzi

Bár a K 0 és antirészecskéje általában az erős erőtől származik, a gyenge erő hatására bomlik. Ezért ezek két gyenge sajátállapot összetételének tekinthetők, amelyek élettartama nagyon eltérő: ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$

A hosszú életű semleges kaon, amelyet K L -nek ("K-hosszú") jelölnek, általában három pionra bomlik, és élettartama 5,18⋅10-8 másodperc .
A rövid életű semleges kaon, amelyet K S -nek ("K-short") jelölnek, általában két pionra bomlik, és élettartama 8,958⋅10-11 másodperc .

( Lásd alább a semleges kaon keverésről szóló leírást. )

1964-ben végzett kísérletek, amelyek azt mutatták, hogy a K L ritkán bomlik két pionra, a CP megsértésének felfedezéséhez vezettek (lásd alább).

A K + fő lebomlási lehetőségei a következők:

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

Furcsaság

A belső kvantumszámú hadronok felfedezése - "furcsaság" - az elemi részecskefizika legcsodálatosabb korszakának kezdetét jelentette, amely még most, ötven évvel később sem ért véget... A nagy kísérletek határozták meg ez a fejlemény, és a főbb felfedezések váratlanul, vagy akár az elméleti várakozások ellenére is megjelentek.

- Bigi II , Sanda AI CP megsértése New York: Cambridge Univ. Nyomda, 2000. - 382 p. - ISBN 0-521-44349-0 .

1947 -ben J. Rochester és C. K. Butler két fényképet publikált a kozmikus sugarak által okozott felhőkamra eseményekről ; az egyikben egy semleges részecske két töltött pionná bomlott, a másikon pedig egy töltött részecske, amely töltött pionná és valami semlegessé bomlik. Az új részecskék tömegének becslése durva volt – körülbelül a proton tömegének fele. További példák ezekre a „V-részecskékre” nem hamarosan jelentek meg.

Az első áttörés a Caltechnél történt , ahol egy felhőkamrát vittek a Mt. Cloudra , hogy jobban megfigyeljék a kozmikus sugarakat. 1950 - ben 30 töltött és 4 semleges V részecskét figyeltek meg. Ennek ihletésére a tudósok számos megfigyelést végeztek a hegy tetején az elkövetkező néhány évben, és 1953 -ra a következő besorolást fogadták el: "L-mezon" jelentése müon vagy pion . A "K-mezon" olyan részecskét jelentett, amelynek tömege a pion és a nukleon tömege között van . A „ hiperon ” a nukleonnál nehezebb részecskéket jelentett.

A bomlás nagyon lassú volt; tipikus élettartamuk 10-10 másodperc volt. A részecskék képződése a pion- proton reakciókban azonban sokkal gyorsabban, 10–23 s nagyságrendű karakterisztikus idővel ment végbe . Ennek az inkonzisztenciának a problémáját Abraham Pais oldotta meg , aki egy új kvantumszám létezését tételezte fel, amelyet „ furcsaságnak ” neveznek, és amely az erős kölcsönhatásban megmarad, de a gyengeségben nem. A furcsa részecskék nagy számban jelentek meg egy furcsa és antifurcsa részecske "páros születése" miatt. Hamar kiderült, hogy ez nem multiplikatív kvantumszám , mert különben olyan reakciók is megengedettek lennének, amelyeket a Brookhaven National Laboratoryban 1953-ban és a Lawrence Berkeley National Laboratoryban 1955-ben épített új ciklotronoknál nem figyeltek meg.

Paritássértés: a θ-τ rejtvény

A feltöltött furcsa mezonok esetében kétféle bomlást találtak:

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

Mivel a két végső állapotnak különböző paritása van , feltételeztük, hogy a kezdeti állapotoknak is eltérő paritásokkal kell rendelkezniük, tehát két különböző részecske. A pontosabb mérések azonban nem mutattak különbséget tömegükben és élettartamukban, ami azt bizonyítja, hogy ugyanaz a részecskék. Ezt a jelenséget θ-τ rejtvénynek nevezik . Csak a gyenge kölcsönhatások paritássértésének felfedezésével oldották meg . Mivel a mezonok a gyenge erő hatására bomlanak, a paritást nem szabad megőrizni, és a két bomlást egyetlen részecske is okozhatja, amelyet most K + -nak neveznek .

CP megsértése semleges mezon oszcillációkban

Eleinte azt hitték, hogy bár a paritás megszakad, a CP (töltés + paritás) szimmetria megmarad. A CP szimmetriatörés felfedezésének megértéséhez meg kell érteni a semleges kaonok keveredését; ez a jelenség nem igényel CP-sértést, de ebben az összefüggésben figyelték meg először a CP-sértést.

Semleges kaonok keverése

Mivel a semleges kaonoknak van furcsasága, nem lehetnek saját antirészecskék. Ekkor két különböző semleges kaonnak kell lennie, amelyek két furcsasági egységgel különböznek egymástól. A kérdés az, hogyan állapítható meg e két mezon létezése. A megoldás a semleges részecskerezgésnek nevezett jelenséget alkalmazza , amelyben ez a kétféle mezon egy gyenge erő hatására egymásba fordulhat, ami pionokká bomlást okoz (lásd a mellékelt ábrát).

Ezeket az oszcillációkat először Murray Gell-Mann és Abraham Pais vizsgálta közös munkájuk során. Ellentétes furcsasággal tekintették az állapotok CP-invariáns időbeli alakulását. Mátrix jelöléssel lehet írni

\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}}

ahol ψ a rendszer kvantumállapota , a létezés amplitúdóival jellemezve mind a két alapállapotban ( a és b jelöléssel t = 0 időpontban ). A Hamilton átlós elemei ( M ) az erős erőnek felelnek meg , ami konzerválja a furcsaságot. A két átlós elemnek egyenlőnek kell lennie, mivel gyenge erő hiányában a részecske és az antirészecske tömege egyenlő. Az átlótól eltérő elemeket, amelyek ellentétes furcsasággal keverik a részecskéket, a gyenge erő okozza; A CP szimmetria megköveteli, hogy valódiak legyenek.

Ha a H mátrix valós, akkor a két állapot valószínűsége örökké oda-vissza ingadozni fog. Ha azonban a mátrix egy része képzeletbeli, bár ezt a CP invariancia tiltja, akkor a kombináció egy része idővel csökkenni fog. A csökkenő rész lehet az egyik komponens ( a ), vagy a másik ( b ), vagy a kettő keveréke.

Keverés

A sajátállapotokat ennek a mátrixnak a diagonalizálásával kapjuk meg. Ez új sajátvektorokat ad, amelyeket nevezhetünk K 1 -nek, ami két ellentétes furcsaságú állapot összege, és K 2 -nek, ami a különbség. Mindkettő CP sajátállapot, ellentétes sajátértékekkel; K 1 CP = +1 és K 2 CP = −1. Mivel a kétpion végállapotban is CP = +1, így csak K 1 bomlik le. K 2 -nek három pionra kell bomlani. Mivel a K 2 tömege valamivel nagyobb, mint három pion tömegének összege, ez a bomlás nagyon lassú, körülbelül 600-szor lassabb, mint a K 1 két pionra bomlása. Ezt a két bomlási utat Leon Lederman és munkatársai figyelték meg 1956 -ban , és megállapították a semleges kaonok két gyenge sajátállapotának ( a semleges kaonok gyenge kölcsönhatás révén történő bomlásában meghatározott élettartamú állapotok) létezését.

Ezt a két sajátállapotot K L -nek (K-hosszú) és K S -nek (K-rövidnek) nevezték el. Az akkoriban megingathatatlannak tartott CP-szimmetria arra utal, hogy K S = K 1 és K L = K 2 .

Oszcilláció

Kezdetben a tiszta K 0 nyaláb a terjedés során antirészecskéivé alakul, amelyek aztán visszaváltoznak a kezdeti részecskékké, és így tovább. Ezt a jelenséget részecskeoszcillációnak nevezték. A leptonokká bomlás megfigyelésekor kiderült, hogy K 0 mindig elektron, míg az antirészecske - pozitron emissziójával bomlott. Az első elemzés feltárta a kapcsolatot a tiszta K 0 forrásokból származó elektronok és pozitronok termelési szintje és antirészecskéi között . A szemileptonikus bomlás időfüggésének elemzése igazolta az oszcillációs jelenség fennállását, és lehetővé tette a KS és K L közötti tömeghasadás tisztázását . Mivel a gyenge erő miatt létezik, nagyon kicsi, 3,483(6)⋅10 −12 MeV (10 −15 tömeg minden állapotból). ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$ ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$

Helyreállítás

A semleges kaonok nyalábja repülés közben elbomlik, így a rövid életű KS eltűnik , és tiszta, hosszú életű K L folyamot hagy maga után . Ha ez az áramlás áthalad az anyagon, akkor K 0 és antirészecskéje eltérő módon lép kölcsönhatásba az atommagokkal. K 0 - nál kvázi rugalmas nukleonszórás lép fel , míg antirészecskéje hiperonokat hozhat létre . A két komponens eltérő kölcsönhatása miatt a két részecske közötti kvantumkoherencia elvész. A kapott áramlás K 0 és különböző lineáris szuperpozícióit tartalmazza . Az ilyen szuperpozíció K L és K S keveréke ; így a KS helyreáll, amikor semleges kaonok nyalábja halad át az anyagon. A gyógyulást Oreste Piccioni és munkatársai figyelték meg a Lawrence Berkeley National Laboratoryban . Nem sokkal ezután Robert Adair és asszisztensei beszámoltak K S túlzott gyógyulásáról , ezzel új fejezetet nyitva ebben a történetben. ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$ ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$

CP-szimmetriatörés

Az Adair eredményeinek igazolása érdekében 1964 -ben James Cronin és Val Fitch a BNL -től felfedezte a K L két pionra bomlását (CP = +1). Amint fentebb említettük , ez a csillapítás megköveteli, hogy a tervezett kezdeti és végső állapotok eltérő CP-értékekkel rendelkezzenek, ezért azonnal a CP szimmetria megtörését sugallja . Más magyarázatokat, mint például a kvantummechanika nemlinearitása vagy egy új elemi részecske ( a hiperfoton ) hamarosan elvetették, így a CP megsértése maradt az egyetlen lehetőség. Ezért a felfedezésért Cronin és Fitch 1980 -ban fizikai Nobel-díjat kapott .

Kiderült, hogy bár a K L és a KS gyenge sajátállapotok (mivel a gyenge erő hatására lebomlanak egy bizonyos élettartammal), nem éppen CP állapotok. Ehelyett egy normalizációs tényezőig

K L = K 2 + εK 1

(és hasonlóan K S esetén), ahol ε egy kis paraméter. Így esetenként K L lebomlik K 1 -ként, ha CP = +1, és hasonlóképpen KS is bomlik, mint K 2 CP = -1 esetén. Ezt a jelenséget közvetett CP -sértésnek nevezik , a CP-szimmetria megsértését a K 0 és antirészecskéjének keveredése miatt. A CP-szimmetria közvetlen megsértése is fennáll , amikor a sértés maga a bomlás során következik be. Mindkét hatás megfigyelhető, mivel mind a keveredés, mind a bomlás a W-bozonnal való azonos kölcsönhatásból származik, és így a CP-sértést a CMC mátrix jósolja meg .

Lásd még

Hadronok , mezonok , hiperonok és íz
S-kvark és kvark modell
Paritás (fizika) , töltéskonjugáció , T-szimmetria , CPT invariancia és CP megsértése
Neutrinó rezgések

Jegyzetek

↑ KAONS • Nagy orosz enciklopédia . Letöltve: 2016. június 4. Az eredetiből archiválva : 2016. április 23.. (határozatlan)

Linkek

Részecske adatcsoport (2010) mezonokon
A kvark modell , JJJ Kokkedee
CP megsértése , II Bigi és A. I. Sanda (Cambridge University Press, 2000) ISBN 0-521-44349-0
Griffiths, David (1987). Bevezetés az elemi részecskékbe. New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-60386-4 .
V. M. Terentiev. Bomlás és lehetséges CP-paritás meg nem tartása $K_{2}\jobbra 2\pi$ . - UFN, 86. évf., 1965, 1. sz. 2. o. 231-262.
Cirigliano V. et al. A kaon lebomlik a szabványos modellben // Rev. Mod. Phys. . - 2012. - Kt. 84. - P. 399-447. - doi : 10.1103/RevModPhys.84.399 .

Részecskék a fizikában

alapvető
részecskék

Fermions

Kvarkok	u d s c b t
Leptonok	e -_ e + μ − • μ + τ − • τ + Neutrino ν e • ν e ν μ • ν μ ν τ • ν τ

Bozonok

Nyomtáv	γ g W ± •Z 0
Skalár	Higgs-bozon

Kompozit
részecskék

hadronok

Baryonok ( Hyperonok )	Nukleonok p p n n Δ Λ Σ Ξ Ω Pentakvarkok
Mezonok ( Quarkonia )	π η • η′ p ω φ J/ψ ϒ θ K B D T Tetrakvarkok

Alapvető és (vagy) összetett részecskék vegyületei

Rendes	Atommagok deuteron Triton Helion α atomok ionok Kationok anionok molekulák
Szokatlan	A hipernukleusz fizikában : Λ -hipermagok Hiperhidrogén Hypertriton Σ -hipermagok Egzotikus atomok : mezoatomok Muonic Müonos hidrogén Hadronic pünkösdi rózsa Kaonic Antiproton Σ -hiperonikus Lepton atomok pozitrónium Muonium Dimuónium protonium Pünkösdi rózsa mezomolekula Dipozitrónium