Kaon

Kaon (mezon K) – najlżejsza cząstka o niezerowej dziwności, mezon K jest bozonem o spinie 0. Antycząstką kaonu jest antykaon.

Występują cztery rodzaje kaonów, izodublet zawierający kwark dziwny ${\displaystyle s{:}}$

${\displaystyle K^{-}={\bar {u}}s,}$

${\displaystyle {\bar {K}}^{0}={\bar {d}}s}$

oraz izodublet zawierający kwark antydziwny ${\displaystyle {\bar {s}}}$

${\displaystyle K^{+}=u{\bar {s}},}$

${\displaystyle K^{0}=d{\bar {s}}.}$

Historia

Kaony zostały odkryte w roku 1947 przez Georga D. Rochestera i Clifforda Charlesa Butlera z Uniwersytetu w Manchesterze w promieniowaniu kosmicznym^[1].

Kaony neutralne

Mieszanie ${\displaystyle K^{0}}$ i ${\displaystyle {\bar {K}}^{0}}$

Z punktu widzenia oddziaływań silnych, zachowujących dziwność ${\displaystyle K^{0}}$ oraz ${\displaystyle {\bar {K}}^{0}}$ są innymi cząstkami.

Mezon K⁰ występuje w dwóch odmianach: długożyjącej, oznaczanej jako K⁰_L (5,116±0,021)·10⁻⁸ s i krótkożyjącej K⁰_S (8,954±0,004)·10⁻¹¹ s, które można zapisać jako superpozycje cząstek ${\displaystyle K^{0}}$ oraz ${\displaystyle {\bar {K}}^{0}{:}}$

${\displaystyle \mathrm {K_{S}^{0}} }$ = ${\displaystyle \mathrm {\frac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} }$

${\displaystyle \mathrm {K_{L}^{0}} }$ = ${\displaystyle \mathrm {\frac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} ,}$

lub

${\displaystyle |K_{S}^{0}\rangle =p|K^{0}\rangle +q|{\bar {K}}^{0}\rangle ,}$

${\displaystyle |K_{L}^{0}\rangle =p|K^{0}\rangle -q|{\bar {K}}^{0}\rangle .}$

Rozpady

K⁰_S rozpada się prawie wyłącznie na pary pionów^[2]:

• ${\displaystyle K_{S}^{0}\to \pi ^{+}\pi ^{-}}$ – 69,2%
• ${\displaystyle K_{S}^{0}\to 2\pi ^{0}}$ – 30,7%

Główne kanały rozpadu K⁰_L:

• ${\displaystyle K_{L}^{0}\to \pi ^{\pm }e^{\mp }\nu _{e}}$ – 40,5%
• ${\displaystyle K_{L}^{0}\to \pi ^{\pm }\mu ^{\mp }\nu _{\mu }}$ – 27,1%
• ${\displaystyle K_{L}^{0}\to 3\pi ^{0}}$ – 19,5%
• ${\displaystyle K_{L}^{0}\to \pi ^{+}\pi ^{-}\pi ^{0}}$ – 12,5%

Regeneracja kaonów K⁰_S

Po rozpadzie K⁰_S, wiązka K⁰ zawiera wyłącznie K⁰_L. Jeśli taka wiązka zostanie przepuszczona przez cienką warstwę materiału, za tą warstwą w składzie wiązki znów pojawią się K⁰_S. Jest to skutek różnych rodzajów oddziaływań K⁰ i K⁰ z materią. Proces nazywany jest regeneracją kaonów.

Złamanie symetrii CP

Rozpady tych dwóch cząstek łamią symetrię CP (zamiana cząstka-antycząstka + inwersja przestrzenna).

Kaony naładowane

${\displaystyle K^{+}=u{\bar {s}}}$

${\displaystyle K^{-}={\bar {u}}s}$

m = 493,677 ± 0,016 MeV/c²

τ = (1,2380 ± 0,0021) 10⁻⁸ s

Rozpady

Główne kanały rozpadu K⁺:

• ${\displaystyle K^{+}\to \mu ^{+}\nu _{\mu }}$ – 63,5%
• ${\displaystyle K^{+}\to \pi ^{+}\pi ^{0}}$ – 13,5%

Rozpady K⁻ są analogiczne.

Zagadka τ-θ

Początkowo były znane dwa dziwne dodatnio naładowane mezony, różniące się sposobem rozpadu:

1. ${\displaystyle \theta ^{+}\to \pi ^{+}+\pi ^{0}}$
2. ${\displaystyle \tau ^{+}\to \pi ^{+}+\pi ^{+}+\pi ^{-}}$

Stany końcowe tych reakcji miały różną parzystość. Ponieważ wcześniej przyjmowano, że parzystość jest zawsze zachowana, mezony τ i θ musiałyby być różnymi cząstkami. Precyzyjne pomiary masy i czasu życia nie pokazały jednak żadnej różnicy między nimi, wydawały się identyczne. Rozwiązaniem tej zagadki okazało się złamanie parzystości w oddziaływaniach słabych. Oba mezony oddziałują słabo, więc ta reakcja nie musi wbrew początkowym oczekiwaniom zachowywać parzystości. Oba rozpady mogą więc rozpoczynać się od tej samej cząstki, którą w rezultacie nazwano K⁺.

Przypisy