К-Мезоны

К-Мезоны в Энциклопедическом словаре:
К-Мезоны - (каоны) (К) - группа элементарных частиц с нулевым спином имассой ок. 970 электронных масс, принадлежащая к странным частицам. Вгруппу входят 2 заряженных (К-, К+) и 2 нейтральных (К ., .) К-мезона; К+и .- античастицы К-, К ..

Определение слова «К-Мезоны» по БСЭ:
К-мезоны - каоны, группа нестабильных элементарных частиц, в которую входят две заряженные (K+, K) и две нейтральные (K0, KЇ0) частицы с нулевым спином и массой приблизительно в 970 раз большей, чем масса электрона. К.-м. участвуют в сильных взаимодействиях, т. е. являются адронами; они не имеют барионного заряда и обладают отличным от нуля значением квантового числа странности (S), характеризующей их поведение в процессах, обусловленных сильным взаимодействием: у K+ и K0 S=+1, а у K и KЇ0 (являющихся античастицами K+, K0) S = −1. Совместно с гиперонами К.-м. образуют группу так называемых странных частиц (частиц, для которых S≠0).
K+ и K0 одинаковым образом участвуют в сильных взаимодействиях, имеют приблизительно одинаковые массы и различаются лишь электрическим зарядом. Они могут быть объединены в одну группу - так называемый изотопический дублет (см. Изотопическая инвариантность) и рассматриваются как различные зарядовые состояния одной и той же частицы с изотопическим спином I = Ѕ. Аналогичную группу составляют K и KЇ0. Из-за различия в странности нейтральные К-м. K0 и KЇ0 являются разными частицами, различным образом участвующими в сильных взаимодействиях.
Согласно современной классификации элементарных частиц, К-м. (K+, K0, K, KЇ0) вместе с π-мезонами (π+, π0, π) и η0-мезоном входят в одну группу (октет) частиц, приблизительно одинаково участвующих в сильных взаимодействиях.
Открытие К-мезонов связано с работами большого числа учёных в различных странах. В 1947-51 в космических лучах было открыто несколько частиц, массы которых, измеренные с доступной в то время точностью, были приблизительно одинаковыми, а способы распада - разными.

Табл. 1.- Основные характеристики и способы распада К-мезонов










ЧастицаМасса m (Мэв)Странность SВремя жизни τ (сек)Способы распадаВероятность
распада (в %)
K+
K
494+1
−1
1,2-10−8μ±64
π±+ π021
π±+ π+ π+5,57
π±001,70
μ±03,18
e±04,85
e±1,2-10−5
K0498+1Распады на ∼50% по схеме K0S и на ∼50% по схеме K0L (см. табл. 2).
KЇ0−1


Табл. 2.- Основные способы распада K0S и K0L










ЧастицаМасса мВремя жизни τ (сек)Способы распадаВероятность
распада (в %)
K0S≈mK00,86-10−10π++ π68,7
π0031,3
K0L≈mK0


Разность масс:
mKL−mKs≈3-10−6 эв
5,4-10−8π00021,5
π+012,6
π±±26,8
π±+e±38,8
π++ π0,16
π000,12
γ+ γ5-10−4

Это были так называемые θ-мезоны, распадающиеся на два пи-мезона, τ-мезоны, распадающиеся на три π-мезона, и др. Значительный прогресс в изучении этих частиц начался с 1954, когда их удалось получать с помощью ускорителей заряженных частиц. Тщательные измерения масс и времён жизни показали, что во всех этих случаях наблюдались различные способы распада одних и тех же частиц, названных К-м.
Открытие К-м. сыграло важную роль в физике элементарных частиц; оно помогло установить новую характеристику сильно взаимодействующих частиц (адронов) - странность и создать современную систематику адронов (см. Элементарные частицы). Изучение распадов К-м. дало первые сведения о несохранении в слабых взаимодействиях пространственной и зарядовой чётности, а также о нарушении комбинированной чётности (см. Чётность, Зарядовое сопряжение, Комбинированная инверсия).
Сильные взаимодействия К-мезонов. Наличие у К-м. отличной от нуля странности S накладывает (из-за сохранения S в сильных взаимодействиях) характерный отпечаток на процессы сильных взаимодействий с участием К-м. Так, K+ и K0, имеющие S = +1, рождаются при столкновениях
«нестранных» частиц - π-мезонов и нуклонов (протонов и нейтронов) - только совместно с гиперонами или K, KЇ0, имеющими отрицательное значение странности (см., например, в ст. Гипероны).
Поскольку все гипероны имеют отрицательную странность, они легче рождаются в процессах, вызванных K и KЇ0, чем в процессах, вызванных K+ и K0.
Например, возможна реакция KЇ0 + р → Λ0 + π+, тогда как реакция K0 + р → Λ0 + π+ запрещена законом сохранения странности в сильных взаимодействиях (здесь р - протон, Λ0 - гиперон). Рождение гиперонов в пучках K+, K0 менее вероятно, т.к. оно требует появления совместно с гипероном нескольких дополнительных K+ или K0.
Поэтому медленные K+, K0 слабее взаимодействуют с веществом, чем K, KЇ0.
Слабые взаимодействия К-мезонов. Распады К-м. обусловлены слабым взаимодействием и происходят с изменением странности на 1 (в слабых взаимодействиях странность не сохраняется). Распады могут осуществляться различными способами и подчиняются эмпирическим правилам, определяющим изменение странности, изотопического спина адронов и пр. (см. Отбора правила). В распадах К-м. не сохраняются пространственная и зарядовая чётности, что проявляется, например, в возможности распада как на 2 π-, так и на 3 π-мезона.
Рисунок иллюстрирует процессы сильного и слабого взаимодействия К-м.
Специфические свойства нейтральных К-мезонов. Выше отмечалось, что K0- и KЇ0-мезоны, отличаясь друг от друга значениями квантового числа странности, участвуют в процессах сильного взаимодействия как две различные частицы. Поскольку, однако, в процессах слабого взаимодействия, в частности в распадах К.-м., странность не сохраняется, оказываются возможными взаимные превращения K0
↔ KЇ0. Наличие таких переходов между частицей и античастицей, имеющими разные значения одного из квантовых чисел, характеризующих элементарные частицы, обусловливает специфические, уникальные свойства нейтральных К.-м. Для любых других частиц существование подобных переходов запрещено строгими законами сохранения электрического или барионного заряда (а также, по-видимому, и лептонного заряда для переходов нейтрино - антинейтрино).
В вакууме благодаря переходам K0 ↔ KЇ0 состояниями, имеющими определённую энергию и время жизни, будут не K0 и KЇ0, а две квантово-механических суперпозиции этих состояний. Эти суперпозиции соответствуют частицам с различными массами и различными временами жизни: долгоживущему K0L- и короткоживущему K0S-мезонам. Разность масс K0S и K0L обусловлена слабым взаимодействием, вызывающим переходы K0
↔ KЇ0, и весьма мала. Время жизни и способы распада K0S и K0L указаны в.
Таким образом, в то время как в процессах, вызываемых сильным взаимодействием, проявляются состояния K0 и KЇ0, обладающие определёнными значениями странности (сохраняющейся в сильном взаимодействии), в процессах слабого взаимодействия (в распадах) проявляются как частицы состояния K0L и K0S. Состояния K0L и K0S близки к суперпозициям состояний, которые называют K01 и K02:

K0S ≈ K01 =1

√2
(K0+KЇ0),
K0L ≈ K02 =1

√2
(K0−KЇ0),

т. е. K0L и K0S приблизительно на 50% «состоят» из K0 и на 50% - из KЇ0. Аналогичным образом можно утверждать, что K0 и KЇ0 приблизительно на 50%
«состоят» из K0S и на 50% - из K0L тот факт, что состояния K0 и KЇ0 представляют суперпозицию двух состояний K0L и K0S разными массами и временами жизни, приводит к появлению своеобразных осцилляций («биений»): K0, возникая в результате сильного взаимодействия, на некотором расстоянии от точки рождения частично превращается за счёт слабого взаимодействия в KЇ0 и потому оказывается способным вызывать ядерные реакции, характерные для KЇ0 и запрещенные для K0,
например реакцию KЇ0 + р → Λ0 + π+ (эффект Пайса - Пиччони). Др. своеобразное явление - так называемая регенерация короткоживущих K0S-meзонов при прохождении через вещество долгоживущих K0L-meзонов: на достаточно больших расстояниях от места образования пучка K0 (или KЇ0) пучок состоит практически только из долгоживущих K0L, т.к. короткоживущие K0S распадаются раньше. Поэтому на таких расстояниях наблюдаются лишь распады, характерные для K0L (табл. 2). Казалось бы, K0S не могут вновь появиться в пучке. Однако если пучок K0L пропустить через слой вещества, то из-за различия во взаимодействиях с веществом K0 и KЇ0, составляющих K0L, изменяется относительный состав пучка и в пучке K0L появляется добавка K0S с характерными для K0S распадами.
Комбинации K01 и K02 обладают определённой симметрией относительно операции комбинированной инверсии (CP): при переходе от частиц к античастицам (операция зарядового сопряжения C) с одновременным пространственным отражением (операция P) волновая функция, соответствующая состоянию K01, остаётся неизменной, а волновая функция K02 меняет знак. Поэтому состояние K01 может распадаться на 2
π (систему, обладающую теми же свойствами относительно операции CP, что и K01), a K02 не может. Поскольку вероятность распада на 2π значительно превышает вероятности др. способов (каналов) распада, большое различие во временах жизни долго- и короткоживущих К-м. считалось указанием на существование в природе симметрии относительно операции комбинированной инверсии, а состояния K0L и K0S отождествлялись с K01 и K02. Однако в 1964 было установлено, что долгоживущий К-м. с вероятностью приблизительно 0,2% распадается на 2
π. Это свидетельствует о нарушении CP-симметрии и об отличии состояний K0L и K0S от K01 и K02. Природа сил, нарушающих CP-симметрию, ещё не выяснена. Имеющиеся экспериментальные данные не противоречат возможности существования в природе особого
«сверхслабого» взаимодействия, нарушающего симметрию CP и проявляющегося в распадах нейтральных К-м.
Лит.: Марков М. А., Гипероны и К-мезоны, М., 1958; Далиц P., Странные частицы и сильные взаимодействия, пер. с англ., М., 1964; Окунь Л. Б., Слабое взаимодействие элементарных частиц, М., 1963; Ли Ц. и By Ц., Слабые взаимодействия пер. с англ., М., 1968; Газиорович С., Физика элементарных частиц, пер. с англ. М., 1969; Эдер Р. К., Фаулер Э. К., Странные частицы, пер. с англ., М., 1966.
С. С. Герштейн.
Схематическое изображение фотографии, полученной в водородной пузырьковой камере, иллюстрирующее процессы сильного и слабого взаимодействий К-мезонов. В точке 1 за счёт сильного взаимодействия происходит реакция K+p→Ω+K++K0, в которой сохраняется странность. Распады образовавшихся частиц происходят в результате слабого взаимодействия с изменением странности на 1: K0
→π+ (в точке 2); Ω→Λ0+K (в точке 3); Λ0→p+π (в точке 4); K→π+ (в точке 5). Треки частиц искривлены, так как камера находится в магнитном поле. Пунктиром обозначены треки нейтральных частиц, не оставляющие следа в камере.


К-Захват   
К-Мезоны   
К. Р.