Kaon

Kaon (tai K-mesoni [1] , merkitty K ) on mesoni , joka sisältää yhden oudon antikvarkin ja yhden u- tai d-kvarkin (antiikaonit päinvastoin sisältävät yhden oudon kvarkin ja yhden u- tai d-antikvarkin). Kaonit ovat kevyimmät kaikista oudoista (eli niillä on nollasta poikkeava kvanttiluku , jota kutsutaan outoudeksi ) hadroneista .

Perusominaisuudet

On olemassa neljä kaonia, joilla on tietty massa:

Negatiivisesti varautuneen K − (sisältää s-kvarkin ja u-antikvarkin ) massa on 493,667(16) MeV ja elinikä 1,2380(21)⋅10 −8 sekuntia.
Sen antihiukkasella , positiivisesti varautuneella K + :lla (sisältää u-kvarkin ja s-antikvarkin), CPT-symmetrian mukaan on oltava massan ja elinajan, joka on sama kuin K - :n massa ja elinikä . Kokeellisesti mitattu massaero on 0,032(90) MeV, eli se on yhteensopiva nollan kanssa. Ero käyttöiässä on myös nolla (kokeellinen tulos: Δτ = 0,11(9)⋅10 −8 sekuntia).
K 0 :n (sisältää d-kvarkin ja s-antikvarkin ) massa on 497,614(24) MeV.
Sen antihiukkasella (sisältää s-kvarkin ja d-antikvarkin ) on sama massa. ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$

Kvarkkimallin perusteella on selvää, että kaonit muodostavat kaksi isospin - dublettia; eli ne kuuluvat SU ( 2) -ryhmän perusesitykseen , jota kutsutaan nimellä 2 . Yksi dubletti, jossa outous +1 ja isospin +1/2 sisältää K + ja K 0 . Antihiukkaset muodostavat toisen dupletin kummallisuudella −1 ja isospin −1/2.

Hiukkanen	Symboli	Antihiukkanen _	Hiukkasen kvarkkikoostumus	Spin ja pariteetti , $J^{{\pi ))$	Massa MeV / c² _	S	Elinaika alkaen	Hajoaa	Huomautuksia
Ladattu kaon	${\mathrm {K^{+))}$	${\mathrm {K^{-}}}$	${\mathrm {u{\bar {s))))$	Pseudoskalaari (0 − )	493.667(16)	+1	1,24⋅10 -8	μ + ν μ tai π + +π 0 tai π + +π + +π − tai π 0 +e + +ν e
neutraali kaon	${\mathrm {K^{0))}$	${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$	${\mathrm {d{\bar {s))))$	Pseudoskalaari (0 − )	497.614(24)	+1	heikko hajoaminen katso alla		Vahva oma tila - ei määrättyä elinikää
lyhytikäinen kaon	${\mathrm {K_{S}^{0))}$	${\mathrm {K_{S}^{0))}$	${\mathrm {{\frac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}({\sqrt {2}}}}}}$	Pseudoskalaari (0 − )	497.614(24)	(*)	0,89⋅10 -10	π + + π − tai 2π 0	Heikko ominaistila - koostumus osoittaa CP-rikkomusta
pitkäikäinen kaon	${\mathrm {K_{L}^{0))}$	${\mathrm {K_{L}^{0))}$	${\mathrm {{\frac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{{\sqrt {2}}}}}}$	Pseudoskalaari (0 − )	497.614(24)	(*)	5,2⋅10−8 _	π ± +e ∓ +ν e tai π ± +μ ∓ +ν μ tai 3π 0 tai π + +π 0 +π −	Heikko ominaistila - koostumus osoittaa CP-rikkomusta

Vaikka K 0 ja sen antihiukkaset tulevat yleensä vahvasta voimasta, ne hajoavat heikon voiman kautta. Siksi niitä voidaan pitää kahden heikon ominaistilan koostumuksena, joilla on hyvin erilaiset elinajat: ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$

Pitkäikäinen neutraali kaon, jota kutsutaan nimellä K L ("K-pitkä"), hajoaa yleensä kolmeksi pioniksi ja sen elinikä on 5,18⋅10 -8 sekuntia.
Lyhytikäinen neutraali kaon, jota kutsutaan nimellä K S ("K-short"), hajoaa yleensä kahdeksi pioniksi ja sen elinikä on 8,958⋅10 -11 sekuntia.

( Katso keskustelu neutraalista kaon-sekoituksesta alla. )

Vuonna 1964 tehdyt kokeet, jotka osoittivat, että K L hajoaa harvoin kahdeksi pioniksi, johtivat CP-rikkomukseen (katso alla).

K + :n tärkeimmät hajoamisvaihtoehdot ovat:

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

Outo

Hadronien löytäminen, joilla on luontainen kvanttiluku - "outollisuus" - merkitsi alkuainehiukkasfysiikan hämmästyttävimmän aikakauden alkua, joka ei vieläkään, viisikymmentä vuotta myöhemmin, ole saavuttanut loppuaan... Suuret kokeet määrittivät tämä kehitys, ja tärkeimmät löydöt ilmestyivät odottamatta tai jopa teoreettisista odotuksista huolimatta.

- Bigi II , Sanda AI CP rikkomus New York: Cambridgen yliopisto Lehdistö, 2000. - 382 s. - ISBN 0-521-44349-0 .

Vuonna 1947 J. Rochester ja C. K. Butler julkaisivat kaksi valokuvaa kosmisten säteiden aiheuttamista pilvikammion tapahtumista ; yksi osoitti neutraalin hiukkasen hajoavan kahdeksi varautuneeksi pioniksi ja toisessa varautuneen hiukkasen hajoavan varautuneeksi pioniksi ja joksikin neutraaliksi. Arvio uusien hiukkasten massoista oli karkea - noin puolet protonin massasta. Lisää esimerkkejä näistä "V-hiukkasista" ei ilmestynyt pian.

Ensimmäinen läpimurto tapahtui Caltechissa , jossa pilvikammio vietiin Mt. Cloudiin tarkkailemaan paremmin kosmisia säteitä. Vuonna 1950 havaittiin 30 varautunutta ja 4 neutraalia V-hiukkasta. Tämän innoittamana tutkijat tekivät useita havaintoja vuoren huipulla seuraavien vuosien aikana, ja vuoteen 1953 mennessä hyväksyttiin seuraava luokittelu: "L-meson" tarkoitti myonia tai pionia . "K-mesoni" tarkoitti hiukkasta, jonka massa oli pionin ja nukleonin välillä . " Hyperon " tarkoitti mitä tahansa nukleonia raskaampaa hiukkasta.

Hajoaminen oli hyvin hidasta; tyypilliset elinajat olivat luokkaa 10–10 sekuntia. Pionin ja protoni reaktioissa hiukkasten tuotanto eteni kuitenkin paljon nopeammin, tyypillisen ajan luokkaa 10 −23 s. Tämän epäjohdonmukaisuuden ongelman ratkaisi Abraham Pais , joka oletti uuden kvanttiluvun, nimeltä " outollisuus ", olemassaolon, joka säilyy vahvassa vuorovaikutuksessa, mutta ei säily heikkossa. Outoja hiukkasia ilmestyi suuria määriä sekä oudon että anti-vieraan hiukkasen "kytketyn syntymisen" vuoksi. Pian osoitettiin, että se ei ole kertova kvanttiluku , koska muuten sallittaisiin reaktiot, joita ei havaittu uusissa syklotroneissa , jotka rakennettiin Brookhaven National Laboratoryssa vuonna 1953 ja Lawrence Berkeleyn kansallisessa laboratoriossa vuonna 1955.

Pariteettirikkomus: θ-τ-ongelma

Varautuneille outoille mesoneille on löydetty kahden tyyppistä hajoamista:

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

Koska kahdella lopputilalla on eri pariteetit , oletettiin, että myös alkutiloilla on oltava eri pariteetit, ja siksi ne ovat kaksi eri hiukkasta. Tarkemmat mittaukset eivät kuitenkaan osoittaneet eroa niiden massoissa ja eliniässä, mikä osoitti, että ne ovat sama hiukkanen. Tämä ilmiö tunnetaan θ-τ-ongelmana . Se ratkesi vain, kun heikkojen vuorovaikutusten pariteettirikkomus havaittiin . Koska mesonit hajoavat heikon voiman vaikutuksesta, pariteettia ei pitäisi säilyttää, ja nämä kaksi hajoamista voivat johtua yhdestä hiukkasesta, jota nyt kutsutaan nimellä K + .

CP-rikkomus neutraaleissa mesonivärähtelyissä

Aluksi uskottiin, että vaikka pariteetti on rikki, CP (varaus + pariteetti) -symmetria säilyy. Ymmärtääksemme CP-symmetrian rikkomisen löydön, on ymmärrettävä neutraalien kaonien sekoittuminen; tämä ilmiö ei vaadi CP-rikkomusta, mutta tässä yhteydessä CP-rikkomus havaittiin ensimmäisen kerran.

Neutraalien kaonien sekoitus

Koska neutraaleissa kaoneissa on outoja, ne eivät voi olla omia antihiukkasiaan. Silloin täytyy olla kaksi erilaista neutraalia kaonia, jotka eroavat kahdella kummallisuusyksiköllä. Kysymys kuuluu, kuinka näiden kahden mesonin olemassaolo voidaan vahvistaa. Ratkaisu käyttää ilmiötä, jota kutsutaan neutraalihiukkasvärähtelyiksi , jossa nämä kaksi mesonin tyyppiä voivat muuttua toisikseen heikon voiman kautta, joka saa ne hajoamaan pioneiksi (katso oheinen kuva).

Murray Gell-Mann ja Abraham Pais tutkivat näitä värähtelyjä ensimmäisenä yhteisessä työssään. He käsittelivät tilojen CP-invarianttia ajallista evoluutiota päinvastaisella omituisuudella. Matriisimerkinnässä voi kirjoittaa

\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}}

missä ψ on järjestelmän kvanttitila , jolle on tunnusomaista olemassaolon amplitudit kummassakin kahdessa perustilassa (merkitty a ja b hetkellä t = 0 ). Hamiltonin diagonaaliset elementit ( M ) vastaavat vahvaa voimaa , joka säilyttää outouden. Kahden diagonaalisen elementin on oltava yhtä suuret, koska hiukkasella ja antihiukkasella on sama massa ilman heikkoa voimaa. Diagonaaliset elementit, jotka sekoittavat hiukkasia päinvastaisella omituisuudella, johtuvat heikosta voimasta; CP-symmetria edellyttää, että ne ovat todellisia.

Jos matriisi H on todellinen, näiden kahden tilan todennäköisyydet vaihtelevat edestakaisin ikuisesti. Kuitenkin, jos jokin osa matriisista on kuvitteellinen, vaikka tämä on kielletty CP-invarianssilla, osa yhdistelmästä pienenee ajan myötä. Pienevä osa voi olla joko yksi komponentti ( a ) tai toinen ( b ) tai molempien seos.

Sekoitus

Ominaistilat saadaan diagonalisoimalla tämä matriisi. Tämä antaa uudet ominaisvektorit, joita voimme kutsua K 1 :ksi, joka on kahden vastakkaisen outouden tilan summa, ja K 2 , joka on ero. Molemmat ovat CP-ominaistiloja, joilla on vastakkaiset ominaisarvot; K 1 :llä on CP = +1 ja K 2 :lla CP = -1. Koska myös kahden pionin lopputilassa on CP = +1, vain K 1 voi vaimentua tällä tavalla. K 2 :n täytyy hajota kolmeksi pioniksi. Koska K 2 :n massa on hieman suurempi kuin kolmen pionin massojen summa, tämä hajoaminen on hyvin hidasta, noin 600 kertaa hitaampaa kuin K 1 :n hajoaminen kahdeksi pioniksi. Leon Lederman ja kollegat havaitsivat nämä kaksi hajoamispolkua vuonna 1956 , ja he totesivat neutraalien kaonien kahden heikon ominaistilan (tilat, joilla on määrätty elinikä neutraalien kaonien hajoamisessa heikon vuorovaikutuksen kautta) olemassaolon.

Nämä kaksi ominaistilaa on nimetty K L (K-pitkä) ja K S (K-lyhyt). CP-symmetria , jota pidettiin tuolloin horjumattomana, viittaa siihen, että K S = K 1 ja K L = K 2 .

Oscillation

Aluksi puhdas säde K 0 muuttuu etenemisen aikana antihiukkasiksi, jotka sitten muuttuvat takaisin alkuhiukkasiksi ja niin edelleen. Tätä ilmiötä on kutsuttu hiukkasvärähtelyksi. Havaittaessa hajoamista leptoneiksi , kävi ilmi, että K 0 hajosi aina elektronin emission kanssa, kun taas antipartikkeli - positronin emission kanssa. Ensimmäinen analyysi paljasti yhteyden puhtaasta K 0 - lähteistä peräisin olevien elektronien ja positronien tuotantotason ja niiden antihiukkasten välillä . Puolileptonisen vaimenemisen aikariippuvuuden analyysi osoitti värähtelyilmiön olemassaolon ja mahdollisti massan jakautumisen selvittämisen KS :n ja KL : n välillä . Koska se on olemassa heikon voiman vuoksi, se on hyvin pieni, 3.483(6)⋅10 −12 MeV (10 −15 massaa jokaisesta tilasta). ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$ ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$

Palautuminen

Neutraalien kaonien säde lennon aikana vaimenee niin, että lyhytikäinen KS katoaa jättäen puhtaan pitkäikäisen KL- virran . Jos tämä virtaus kulkee aineen läpi, K 0 ja sen antihiukkanen vuorovaikuttavat eri tavalla ytimien kanssa. K 0 : lla tapahtuu kvasielastista nukleonien sirontaa , kun taas sen antihiukkanen voi luoda hyperoneja . Kahden komponentin erilaisesta vuorovaikutuksesta johtuen näiden kahden hiukkasen välinen kvanttikoherenssi menetetään. Tuloksena oleva virta sisältää erilaisia K 0 :n ja :n lineaarisia superpositioita . Tällainen superpositio on K L: n ja K S :n seos ; siten KS palautuu, kun neutraalien kaonien säde kulkee aineen läpi. Oreste Piccioni ja kollegat Lawrence Berkeley National Laboratoryssa havaitsivat toipumisen . Pian tämän jälkeen Robert Adair ja hänen avustajansa ilmoittivat K S :n liiallisesta toipumisesta , mikä avasi uuden luvun tässä tarinassa. ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$ ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$

CP-symmetrian rikkominen

Yrittäessään varmistaa Adairin tulokset vuonna 1964 James Cronin ja Val Fitch BNL :stä löysivät K L : n hajoamisen kahdeksi pioniksi (CP = +1). Kuten edellä todettiin , tämä vaimeneminen edellyttää, että aiotuilla alku- ja lopputiloilla on erilaiset CP-arvot, ja siksi ehdottaa välittömästi CP-symmetrian rikkoutumista . Muut selitykset, kuten kvanttimekaniikan epälineaarisuus tai uusi alkuainehiukkanen ( hyperfotoni ), hylättiin pian, jolloin CP-rikkomus jäi ainoaksi mahdollisuudeksi. Tästä löydöstä Cronin ja Fitch saivat vuoden 1980 fysiikan Nobelin palkinnon .

Kävi ilmi, että vaikka K L ja KS ovat heikkoja ominaistiloja (koska niillä on tietty elinikä heikon voiman vaikutuksesta vaimentuessaan), ne eivät ole aivan CP-tiloja. Sen sijaan normalisointikertoimeen asti

K L = K 2 + εK 1

(ja vastaavasti K S ), jossa ε on pieni parametri. Siten toisinaan K L vaimenee K 1 :nä, kun CP = +1, ja vastaavasti KS voi vaimentua K 2 :na, kun CP = −1. Tämä ilmiö tunnetaan epäsuorana CP -rikkomuksena, CP-symmetrian rikkomisena, joka johtuu K 0 : n ja sen antihiukkasen sekoittumisesta. On myös suora CP-symmetrian rikkomus, jossa rikkomus tapahtuu itse hajoamisen aikana. Molemmat vaikutukset havaitaan, koska sekä sekoittuminen että hajoaminen tulevat samasta vuorovaikutuksesta W-bosonin kanssa ja siten CMC-matriisi ennustaa CP-rikkomuksen .

Katso myös

Hadronit , mesonit , hyperonit ja maku
S-kvarkki ja kvarkkimalli
Pariteetti (fysiikka) , varauskonjugaatio , T-symmetria , CPT-invarianssi ja CP-rikkomus
Neutriinovärähtelyt

Muistiinpanot

↑ KAONS • Suuri venäläinen tietosanakirja . Haettu 4. kesäkuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 23. huhtikuuta 2016. (määrätön)

Linkit

Hiukkastietoryhmä (2010) mesoneista
JJJ Kokkedeen kvarkkimalli
CP-rikkomus , II Bigi ja A.I. Sanda (Cambridge University Press, 2000) ISBN 0-521-44349-0
Griffiths, David (1987). Johdatus alkuainehiukkasiin. New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-60386-4 .
V. M. Terentiev. Hajoaminen ja mahdollinen CP-pariteetin säilyminen $K_{2}\rightarrow 2\pi$ . - UFN, osa 86, 1965, no. 2, s. 231-262.
Cirigliano V. et ai. Kaon hajoaa vakiomallissa // Rev. Mod. Phys. . - 2012. - Vol. 84. - s. 399-447. - doi : 10.1103/RevModPhys.84.399 .

Hiukkaset fysiikassa

perushiukkasia
_

Fermions

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

Bosonit

Arvioida	γ g W ± •Z 0
Skalaari	Higgsin bosoni

Komposiittihiukkaset
_

hadronit

Baryonit ( hyperonit )	Nukleonit s s n n Δ Λ Σ Ξ Ω Pentakvarkit
Mesonit ( Quarkonia )	π η • η′ s ω φ J/ψ ϒ θ K B D T Tetrakvarkit

Perus- ja (tai) yhdistehiukkasten yhdisteet

Tavallinen	Atomiytimet deuteron Triton Helion α atomeja ioneja Kationit Anionit molekyylejä
Epätavallinen	Hypernukleusfysiikassa : Λ -hyperytimet Hypervety Hypertriton Σ -hyperytimet Eksoottiset atomit : Mesoatomit Muonic Muoninen vety Hadronic pioni Kaonic Antiprotoni Σ -hyperoninen Leptonin atomit positronium Muonium Dimuonium protonium Pioni mesomolekuli Dipositronium