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, K^Ї0) 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 K^Ї0 (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 K^Ї0. Из-за различия в странности нейтральные К-м. K⁰ и K^Ї0 являются разными частицами, различным образом участвующими в сильных взаимодействиях.
Согласно современной классификации элементарных частиц, К-м. (K⁺, K⁰, K⁻, K^Ї0) 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

Частица	Масса m (Мэв)	Странность S	Время жизни τ (сек)	Способы распада	Вероятность распада (в %)
K+ K−	494	+1 −1	1,2-10−8	μ±+ν	64
				π±+ π0	21
				π±+ π−+ π+	5,57
				π±+π0+π0	1,70
				μ±+π0+ν	3,18
				e±+π0+ν	4,85
				e±+ν	1,2-10−5
K0	498	+1		Распады на ∼50% по схеме K0S и на ∼50% по схеме K0L (см. табл. 2).
KЇ0		−1

Табл. 2.- Основные способы распада K⁰_S и K⁰_L

Частица	Масса м	Время жизни τ (сек)	Способы распада	Вероятность распада (в %)
K0S	≈mK0	0,86-10−10	π++ π−	68,7
			π0+π0	31,3
K0L	≈mK0 Разность масс: mKL−mKs≈3-10−6 эв	5,4-10−8	π0+π0+π0	21,5
			π++π−+π0	12,6
			π±+μ±+ν	26,8
			π±+e±+ν	38,8
			π++ π−	0,16
			π0+π0	0,12
			γ+ γ	5-10−4

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⁻, K^Ї0, имеющими отрицательное значение странности (см., например, в ст. Гипероны).
Поскольку все гипероны имеют отрицательную странность, они легче рождаются в процессах, вызванных K⁻ и K^Ї0, чем в процессах, вызванных K⁺ и K⁰.
Например, возможна реакция K^Ї0 + 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⁻, K^Ї0.
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 K^Ї0-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
↔ K^Ї0. 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 ↔ K^Ї0 состояниями, имеющими определённую энергию и время жизни, будут не K⁰ и K^Ї0, а две квантово-механических суперпозиции этих состояний. Эти суперпозиции соответствуют частицам с различными массами и различными временами жизни: долгоживущему K⁰_L- и короткоживущему K⁰_S-мезонам. Разность масс K⁰_S и K⁰_L обусловлена слабым взаимодействием, вызывающим переходы K⁰
↔ K^Ї0, и весьма мала. Время жизни и способы распада K⁰_S и K⁰_L указаны в.
Таким образом, в то время как в процессах, вызываемых сильным взаимодействием, проявляются состояния K⁰ и K^Ї0, обладающие определёнными значениями странности (сохраняющейся в сильном взаимодействии), в процессах слабого взаимодействия (в распадах) проявляются как частицы состояния K⁰_L и K⁰_S. Состояния K⁰_L и K⁰_S близки к суперпозициям состояний, которые называют K⁰₁ и K⁰₂:

K0S ≈ K01 =	1 √2	(K0+KЇ0),
K0L ≈ K02 =	1 √2	(K0−KЇ0),

т. е. K⁰_L и K⁰_S приблизительно на 50% «состоят» из K⁰ и на 50% - из K^Ї0. Аналогичным образом можно утверждать, что K⁰ и K^Ї0 приблизительно на 50%
«состоят» из K⁰_S и на 50% - из K⁰_L тот факт, что состояния K⁰ и K^Ї0 представляют суперпозицию двух состояний K⁰_L и K⁰_S 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 K^Ї0 и потому оказывается способным вызывать ядерные реакции, характерные для K^Ї0 и запрещенные для K⁰,
например реакцию K^Ї0 + р → Λ⁰ + π⁺ (эффект Пайса - Пиччони). Др. своеобразное явление - так называемая регенерация короткоживущих K⁰_S-meзонов при прохождении через вещество долгоживущих K⁰_L-meзонов: на достаточно больших расстояниях от места образования пучка K⁰ (или K^Ї0) пучок состоит практически только из долгоживущих K⁰_L, т.к. короткоживущие K⁰_S распадаются раньше. Поэтому на таких расстояниях наблюдаются лишь распады, характерные для K⁰_L (табл. 2). Казалось бы, K⁰_S не могут вновь появиться в пучке. Однако если пучок K⁰_L пропустить через слой вещества, то из-за различия во взаимодействиях с веществом K⁰ и K^Ї0, составляющих K⁰_L, изменяется относительный состав пучка и в пучке K⁰_L появляется добавка K⁰_S с характерными для K⁰_S 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 K⁰_L и K⁰_S 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 K⁰_L и K⁰_S 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⁺+π⁻ (в точке 2); Ω⁻→Λ⁰+K⁻ (в точке 3); Λ⁰→p+π⁻ (в точке 4); K⁻→π⁺+π⁻+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.