Kaon

För annan användning, se Kaon (disambiguation) .
Ej att förväxla med Kōan .
Kaon
Sammansättning
K +
:
u

s


K 0
 :
d

s


K −
:
s

u
Statistik Bosonic
Familj Mesons
Interaktioner Stark , svag , elektromagnetisk , gravitationell
Symbol
K +
,
K 0
 ,
K- _
Antipartikel
K +
:
K −


K 0
 :
K 0


 K −
:
K +
Upptäckt 1947
Typer 4
Massa

K ±
: 493,677 ± 0,016 MeV/ c 2
K 0
 : 497,611 ± 0,013 MeV/ c 2
Genomsnittlig livstid


K ±
:   (1,2380 ± 0,0020) × 10 −8 s
K
S : (8,954 ± 0,004) × 10 −11 s
K
L : (5,116 ± 0,021) × 10 −8 s
Elektrisk laddning

K ±
: ± 1 e
K 0
 : 0 e
Snurra 0
Egendomlighet

K +
,
K 0
 : +1
K- ,

K 0
 : -1
Paritet -1
Nedbrytningen av en kaon (
π− K

+ )
till tre pioner (2
π +
, 1 ) är en process som involverar både svaga och starka interaktioner . Svag växelverkan : Kaonens märkliga antikvark (
ar ) förvandlas till en
uppåtriktad antikvark (
u
) genom emission av en
W +
-boson ; W
) +
-bosonen sönderfaller därefter till en ned-antikvark (
d
) och en upp-kvark (
u
. Starka växelverkan : En uppkvark (
u
) avger en gluon (
g
) som sönderfaller till en nedkvark (
d
) och en nedantikvark (
d
).

Inom partikelfysik är en kaon ( / ˈ k eɪ . ɒ n / ), även kallad en K-meson och betecknad
K
, vilken som helst av en grupp av fyra mesoner som kännetecknas av ett kvantnummer som kallas konstighet . I kvarkmodellen förstås de som bundna tillstånd av en märklig kvark (eller antikvark) och en upp- eller nerantikvark (eller kvark) .

Kaoner har visat sig vara en riklig källa till information om naturen hos fundamentala interaktioner sedan de upptäcktes i kosmiska strålar 1947. De var avgörande för att etablera grunden för standardmodellen för partikelfysik, såsom kvarkmodellen av hadroner och teorin av kvargblandning (det senare erkändes av ett Nobelpris i fysik 2008). Kaoner har spelat en framstående roll i vår förståelse av grundläggande bevarandelagar : CP-kränkning , ett fenomen som genererar den observerade asymmetrin mellan materia och antimateria i universum, upptäcktes i kaonsystemet 1964 (vilket erkändes av ett Nobelpris 1980). Dessutom upptäcktes direkt CP-kränkning i kaon-förfallen i början av 2000-talet av NA48-experimentet vid CERN och KTeV-experimentet vid Fermilab .

Grundläggande egenskaper

De fyra kaonerna är:


  1.  K −
    , negativt laddad (innehåller en märklig kvark och en upp-antikvark ) har massan 493,677 ± 0,013 MeV och medellivslängd (1,2380 ± 0,0020) × 10 −8 s .

  2. K +
    ( antipartikel av ovan) positivt laddad (innehållande en uppkvark och en märklig antikvark ) måste (genom CPT-invarians ) ha massa och livslängd lika med den för
    K −
    . Experimentellt är massskillnaden 0,032 ± 0,090 MeV , överensstämmande med noll; skillnaden i livslängder är (0,11 ± 0,09) × 10 −8 s , vilket också överensstämmer med noll.

  3. K 0
     , neutralt laddad (innehållande en dunkvark och en märklig antikvark ) har massan 497.648 ± 0.022 MeV . Den har en genomsnittlig kvadratisk laddningsradie på −0,076 ± 0,01 fm 2 .

  4. K 0
     , neutralt laddad (antipartikel av ovan) (innehåller en märklig kvarg och en dunantikvark ) har samma massa.

Som kvarkmodellen visar, tilldelar att kaonerna bildar två dubletter av isospin ; det vill säga de tillhör den grundläggande representationen av SU(2) som kallas 2 . En dubblett av konstighet +1 innehåller
K +
och
K 0
 . Antipartiklarna bildar den andra dubbletten (av konstigt −1).

Egenskaper hos kaons

Partikelnamn _
Partikelsymbol _
Antipartikelsymbol _
Quark innehåll
Vilomassa ( MeV / c 2 ) 		Jag G J P C S C B' Medellivstid ( er )
Sönderfaller vanligtvis till (>5 % av sönderfallen)
Kaon
K +

K −

u

s
493,677 ± 0,016 1⁄2 _ _ 0− 1 0 0 (1,2380 ± 0,0020) × 10 -8
μ +
+
ν
μ eller
π +
+
π 0
 eller
π +
+
π +
+
π −
eller
π 0
 +
e +
+
ν
e
Kaon
K0
K0
d

s
497,611 ± 0,013 1⁄2 _ _ 0− 1 0 0
K-Short
K 0
S 		Själv 497,611 ± 0,013 1⁄2 _ _ 0− [*] 0 0 (8,954 ± 0,004) × 10 -11
π +
+
π −
eller
π 0
 +
π 0
K-Lång
K 0
L 		Själv 497,611 ± 0,013 1⁄2 _ _ 0− [*] 0 0 (5,116 ± 0,021) × 10 -8
π ±
+
e ∓
+
ν
e eller
π ±
+
μ ∓
+
ν
μ eller
π 0
 +
π 0
 +
π 0
 eller
π +
+
π 0
 +
π −
Kaonens kvarkstruktur (K + ).




[*] Se Anmärkningar om neutrala kaoner i artikeln Lista över mesoner och neutral kaonblandning nedan. [§] ^ Starkt egentillstånd . Ingen bestämd livslängd (se neutral kaonblandning ). [†] ^ Svagt egentillstånd . Smink saknas en liten som bryter mot CP (se neutral kaonblandning ) . [‡] ^ Massan av
K 0
L och
K 0
S anges som den för
K 0
 . Det är dock känt att det finns en relativt liten skillnad mellan massorna av
K 0
L och
K 0
S i storleksordningen 3,5 × 10 −6 eV/ c 2 .

Även om
K 0
 och dess antipartikel
K 0
 vanligtvis produceras via den starka kraften , sönderfaller de svagt . Så snart de har skapats är de bättre tänkta som superpositioner av två svaga egentillstånd som har mycket olika livslängder:

  • Den långlivade neutrala kaonen kallas
    K
    L     ("K-long"), sönderfaller i första hand till tre pioner och har en medellivslängd på 5,18 × 10 −8 s .
  • Den kortlivade neutrala kaonen kallas
    K
    S     ("K-kort"), sönderfaller i första hand till två pioner och har en medellivslängd på 8,958 × 10 −11 s .
    Kvarkstruktur av antikaon (K − ).

( Se diskussion om neutral kaonblandning nedan. )

En experimentell observation som gjordes 1964 att K-longs sällan förfaller till två pioner var upptäckten av CP-kränkning (se nedan).

Huvudavklingningslägen för
K +
:

0 Quarkstruktur för den neutrala kaonen (K ) .
Resultat Läge Förgreningsförhållande

μ +

ν
μ 		leptoniska 63,55 ± 0,11 %

π +

π 0
 		hadronic 20,66 ± 0,08 %

π +

π +

π −
hadronic 5,59 ± 0,04 %

π +

π 0

 π 0
 		hadronic 1,761 ± 0,022 %

π 0

 e +

ν
e 		semileptonisk 5,07 ± 0,04 %

π 0

 μ +

ν
μ 		semileptonisk 3,353 ± 0,034 %

Avklingningslägen för
K −
är laddningskonjugat av de ovan.

Paritetsbrott

Två olika sönderfall hittades för laddade konstiga mesoner:


 Θ +
→
π +
+
π 0

τ +
→
π +
+
π +
+
π −

Den inneboende pariteten för ett pion är P = −1, och paritet är ett multiplikativt kvanttal. Därför har de två sluttillstånden olika paritet (P = +1 respektive P = −1). Man trodde att de initiala tillstånden också skulle ha olika pariteter och därför vara två distinkta partiklar. Men med allt mer exakta mätningar hittades ingen skillnad mellan massorna respektive livslängderna för var och en, vilket tyder på att de är samma partikel. Detta var känt som τ–θ-pusslet . Det löstes endast genom upptäckten av paritetsbrott i svaga interaktioner . Eftersom mesonerna sönderfaller genom svaga interaktioner bevaras inte pariteten, och de två sönderfallen är faktiskt sönderfall av samma partikel, nu kallad
K +
.

Historia

Se även: Konstighet

Upptäckten av hadroner med det interna kvanttalet "konstighet" markerar början på en mycket spännande epok inom partikelfysik som inte ens nu, femtio år senare, ännu inte har funnit sin slutsats ... i stort sett har experiment drivit utvecklingen, och att stora upptäckter kom oväntat eller till och med mot förväntningar som uttryckts av teoretiker. — Bigi & Sanda (2016)

När han letade efter den hypotetiska kärnmesonen hittade Louis Leprince-Ringuet bevis för existensen av en positivt laddad tyngre partikel 1944 .

1947 publicerade GD Rochester och CC Butler från University of Manchester två molnkammarfotografier av kosmisk strålningsinducerade händelser, en som visade vad som verkade vara en neutral partikel som sönderfaller till två laddade pioner, och en som verkade vara en laddad partikel som sönderfaller. till en laddad pion och något neutralt. Den uppskattade massan av de nya partiklarna var mycket grov, ungefär en halv protons massa. Fler exempel på dessa "V-partiklar" kom långsamt.

1949 såg Rosemary Brown (senare Rosemary Fowler), en forskarstudent i CF Powells Bristol-grupp, hennes "k"-spår, gjord av en partikel med mycket liknande massa som sönderföll till tre pioner. Detta ledde till det så kallade 'Tau-Theta'-problemet: Det som verkade vara samma partiklar (nu kallat
K +
) sönderföll i två olika lägen, Theta till två pioner (paritet +1), Tau till tre pioner (paritet − 1). Lösningen på detta pussel visade sig vara att svaga interaktioner inte bevarar paritet .

Det första genombrottet erhölls vid Caltech , där en molnkammare togs upp på Mount Wilson , för större exponering för kosmisk strålning. 1950 rapporterades 30 laddade och 4 neutrala "V-partiklar". Inspirerad av detta gjordes många bergstoppobservationer under de kommande åren, och 1953 användes följande terminologi: "L meson" för antingen en myon eller laddad pion ; "K meson" betydde en partikel mellan pionen och nukleonen i massa .

Leprince-Rinquet myntade den fortfarande använda termen " hyperon " för att betyda vilken partikel som helst som är tyngre än en nukleon. Leprince-Ringuet-partikeln visade sig vara K + -mesonen.

Förfallen var extremt långsamma; typiska livstider är i storleksordningen 10–10 s . Produktionen i pion - protonreaktioner går dock mycket snabbare, med en tidsskala på 10 −23 s . Problemet med denna missmatchning löstes av Abraham Pais som postulerade det nya kvanttalet som kallas " konstighet " som bevaras i starka interaktioner men kränks av de svaga interaktionerna . Konstiga partiklar dyker upp rikligt på grund av "associerad produktion" av en konstig och en antikonstig partikel tillsammans. Det visades snart att detta inte kunde vara ett multiplikativt kvanttal , eftersom det skulle tillåta reaktioner som aldrig sågs i de nya synkrotronerna som togs i bruk i Brookhaven National Laboratory 1953 och i Lawrence Berkeley Laboratory 1955.

CP-brott i neutrala mesonsvängningar

Till en början trodde man att även om pariteten bröts, bevarades CP (laddningsparitet) symmetri . För att förstå upptäckten av CP-kränkning är det nödvändigt att förstå blandningen av neutrala kaoner; detta fenomen kräver inte CP-kränkning, men det är sammanhanget där CP-kränkning först observerades.

Neutral kaonblandning

Två olika neutrala K-mesoner, som bär olika konstigheter, kan förvandlas från en till en annan genom de svaga interaktionerna , eftersom dessa interaktioner inte bevarar konstigheter. Den märkliga kvarken i anti-
K 0
 förvandlas till en dunkvark genom att successivt absorbera två W-bosoner med motsatt laddning. Dunantikvarken i anti-
K 0
 förvandlas till en märklig antikvark genom att avge dem.

Eftersom neutrala kaoner bär på konstigheter, kan de inte vara sina egna antipartiklar. Det måste då finnas två olika neutrala kaoner, som skiljer sig åt med två enheter av konstigheter. Frågan var då hur man skulle kunna fastställa närvaron av dessa två mesoner. Lösningen använde ett fenomen som kallas neutrala partikeloscillationer , genom vilka dessa två typer av mesoner kan förvandlas från en till en annan genom de svaga interaktionerna, som får dem att sönderfalla till pioner (se den intilliggande figuren).

Dessa svängningar undersöktes först av Murray Gell-Mann och Abraham Pais tillsammans. De ansåg den CP-invarianta tidsutvecklingen av tillstånd med motsatt konstighet. I matrisnotation kan man skriva

där ψ är ett kvanttillstånd för systemet specificerat av amplituder för att vara i vart och ett av de två bastillstånden (som är a och b vid tidpunkten t = 0). De diagonala elementen ( M ) hos Hamiltonian beror på stark interaktionsfysik som bevarar konstigheter. De två diagonala elementen måste vara lika, eftersom partikeln och antipartikeln har lika stora massor i frånvaro av de svaga interaktionerna. De off-diagonala elementen, som blandar motsatta konstighetspartiklar, beror på svaga interaktioner ; CP-symmetri kräver att de är verkliga.

Konsekvensen av att matrisen H är verklig är att sannolikheterna för de två tillstånden för alltid kommer att svänga fram och tillbaka. Men om någon del av matrisen var imaginär, vilket är förbjudet av CP-symmetri , kommer en del av kombinationen att minska med tiden. Den förminskande delen kan vara antingen en komponent ( a ) eller den andra ( b ), eller en blandning av de två.

Blandning

Egentillstånden erhålls genom att diagonalisera denna matris. Detta ger nya egenvektorer, som vi kan kalla K 1 som är skillnaden mellan de två tillstånden av motsatt konstighet, och K 2 , som är summan. De två är egentillstånd för CP med motsatta egenvärden; K 1 har CP = +1, och K 2 har CP = −1 Eftersom sluttillståndet med två pioner också har CP = +1, kan endast K 1 avklinga på detta sätt. K . 2 måste förfalla till tre pioner Eftersom massan av K 2 bara är lite större än summan av massorna av tre pioner, fortskrider detta sönderfall mycket långsamt, cirka 600 gånger långsammare än sönderfallet av K 1 till två pioner. Dessa två olika sätt av förfall observerades av Leon Lederman och hans medarbetare 1956, vilket fastställde existensen av de två svaga egentillstånden (tillstånd med bestämda livstider under förfall via den svaga kraften ) hos de neutrala kaonerna.

Dessa två svaga egentillstånd kallas
K
L (K-lång) och
K
S (K-kort). CP-symmetri , som antogs vid den tiden, innebär att
K
S = K 1 och
K
L = K 2 .

Svängning

Huvudartikel: Neutral partikeloscillation

En initialt ren stråle av
K 0
 kommer att förvandlas till sin antipartikel,
K 0
 , medan den fortplantar sig, som kommer att förvandlas till den ursprungliga partikeln,
K 0
 , och så vidare. Detta kallas partikeloscillation. När man observerade det svaga sönderfallet till leptoner , fann man att ett
K 0
 alltid sönderföll till en positron, medan antipartikeln
K 0
 sönderföll till elektronen. Den tidigare analysen gav ett samband mellan hastigheten för elektron- och positronproduktion från källor av rent
K 0
 och dess antipartikel
K 0
 . Analys av tidsberoendet för detta semileptoniska sönderfall visade fenomenet oscillation och möjliggjorde extraktion av massdelningen mellan
K
S och
K
L . Eftersom detta beror på svaga interaktioner är det mycket litet, 10 −15 gånger massan för varje tillstånd, nämligen ∆M K = M(K L ) − M(K S ) = 3,484(6)×10 −12 MeV .

Regeneration

En stråle av neutrala kaoner sönderfaller under flygning så att den kortlivade
K
S försvinner och lämnar en stråle av ren långlivad
K
L . Om denna stråle skjuts in i materia, så
K 0
 och dess antipartikel
K 0
 på olika sätt med kärnorna. K genomgår kvasi- elastisk spridning med nukleoner , medan dess antipartikel kan skapa hyperoner
. 0
 På grund av de olika interaktionerna mellan de två komponenterna går kvantkoherensen mellan de två partiklarna förlorad. Den framträdande strålen innehåller då olika linjära superpositioner av
K 0
 och
K 0
 . En sådan överlagring är en blandning av
K
L och
K
S ; K

S regenereras genom att en neutral kaonstråle passerar genom materia. Regenerering observerades av Oreste Piccioni och hans medarbetare vid Lawrence Berkeley National Laboratory . Strax därefter rapporterade Robert Adair och hans medarbetare om överskott av
K
S- regenerering, vilket öppnade ett nytt kapitel i denna historia.

CP-brott

Medan de försökte verifiera Adairs resultat fann J. Christenson, James Cronin , Val Fitch och Rene Turlay från Princeton University sönderfall av
K
L till två pioner ( CP = +1) i ett experiment utfört 1964 vid Alternating Gradient Synchrotron vid Brookhaven laboratorium . Som förklarats i ett tidigare avsnitt krävde detta att de antagna initiala och slutliga tillstånden hade olika värden på CP , och därför antydde det omedelbart CP-överträdelse . Alternativa förklaringar som olinjär kvantmekanik och en ny oobserverad partikel ( hyperfoton ) uteslöts snart, vilket lämnade CP-kränkning som den enda möjligheten. Cronin och Fitch fick Nobelpriset i fysik för denna upptäckt 1980.

Det visar sig att även om
K
L och
K
S är svaga egentillstånd (eftersom de har bestämda livstider för avklingning med hjälp av den svaga kraften), är de inte riktigt CP -egentillstånd. I stället, för små ε (och upp till normalisering),


K
L = K 2 + ε K 1

och liknande för
K
S . Sålunda avklingar
K
L ibland som en K 1 med CP = +1, och likaså kan
K
S avta med CP = −1. Detta är känt som indirekt CP-överträdelse , CP-brott på grund av blandning av
K 0
 och dess antipartikel. Det finns också en direkt CP-kränkningseffekt , där CP-kränkningen inträffar under själva sönderfallet. Båda är närvarande, eftersom både blandning och sönderfall härrör från samma interaktion med W-bosonen och har således CP-överträdelse som förutsägs av CKM-matrisen . Direkt CP-kränkning upptäcktes i kaon-förfallen i början av 2000-talet av NA48- och KTeV-experimenten vid CERN och Fermilab.

Se även

Fotnoter

Bibliografi

externa länkar

  • Media relaterade till Kaon på Wikimedia Commons
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Kaon&oldid=1142328331 "