К-МЕЗО́НЫ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
К-МЕЗО́НЫ (каоны), группа из двух заряженных ($\text K^+$, $\text K^-$ ) и двух нейтральных ($\text K^0$, $\tilde{\text K}^0$) частиц с массой, приблизительно равной половине массы протона, и нулевым спином. K-м. участвуют в процессах сильного взаимодействия (т. е. являются адронами) и обладают сохраняющимся в этих процессах особым квантовым числом – странностью. $\text K^+$- и $\text K^0$-мезоны имеют странность $S=+1, $ а $\text K^-$ и $\tilde{\text K}^0$, являющиеся их античастицами, странность $S=-1 $. Согласно простейшей кварковой модели, мезоны $\text K^+$ и $\text K^0$ состоят из антикварка ($\tilde{s}$) со странностью $S=1 $ и соответственно из лёгких $u$- и $d$-кварков: $\text K^+ ({\tilde s}, u)$, $\text K^0(\tilde s, d)$, а их античастицы $\text K^-$ и $\tilde{\text K}^0$ составлены из кварка $s$ и антикварков $\tilde{u}$ и $\tilde{d}$: $\text K^- (s, \tilde{u}), \tilde{\text K}^0(s, \tilde{d})$ (см. Элементарные частицы).
K-м. $K^+$ и $K^0 $ объединяются в изотопический дублет (см. Изотопическая инвариантность). Аналогичную группу составляют мезоны $\tilde{\text K}^0$ и $\text K^-$ . Вместе с $\pi$-мезонами (пионами) и т. н. $\eta$-мезоном они входят в октет псевдоскалярных мезонов с отрицательной внутр. чётностью и нулевым барионным числом.
K-м. впервые наблюдались в космич. лучах в 1947–51, однако были полностью идентифицированы только после получения их на ускорителях высокой энергии в 1954. В процессах сильного взаимодействия частиц, не обладающих странностью (напр., нуклонов), K-м. рождаются совместно друг с другом или с др. странными частицами так, чтобы сохранялось суммарное (нулевое) значение странности. Масса заряженных K-м. составляет (493,677±0,016) МэВ, а масса нейтральных – (497,648±0,022) МэВ. Нейтральные K-м. имеют несколько бòльшую массу, т. к. входящий в их состав $d$- (или $\widetilde{d}$-) кварк «тяжелее», чем $u$- (или $\widetilde{u}$-) кварк в составе заряженных.
Распад K-м. происходит под влиянием слабого взаимодействия. Время жизни заряженных K-м. составляет $τ$=(1,2385±0,0024)·10–8 с. Осн. каналами распада K-м. являются: $\text{K}^{\pm} \to \mu^\pm \nu_{\mu}(\tilde\nu_{\mu})$(63%); $\text K^\pm \to\pi^\pm\pi^0 $ (21%); $\text K^\pm\to\pi^\pm\pi^\pm\pi^\mp$(5,6%); $\text K^\pm\to\pi^\pm\pi^0\pi^0 $ (1,8%); $\text K^\pm\to\pi^0e^\pm \nu_e (\widetilde{\nu}_e)$ (5%); $\text K^\pm\to\pi^0\mu^\pm \nu_\mu (\widetilde{\nu}_\mu)$(3,3%). Возможность распада K-м. как на два, так и на три пиона (с разл. пространственной чётностью в конечном состоянии) явилась первым указанием на нарушение пространственной чётности в слабых взаимодействиях.
Нейтральные K-м. обладают специфич. свойствами, связанными с тем, что при слабом взаимодействии, нарушающем странность, возможны переходы $\text K^0 \leftrightarrow \tilde{\text K}^0$, т. н. осцилляции. Благодаря этому в вакууме в качестве частиц с определёнными временем жизни и массой проявляются т. н. долгоживущие $\text K^0_{L}$- и короткоживущие $\text K^0_{S}$- мезоны, которые являются суперпозицией состояний $\text K^0$ и $\tilde{\text K}^0$(см. Суперпозиции состояний принцип). С точностью до квадрата малой величины $ \varepsilon(|\varepsilon|=2,23·10^{–3})$ эти суперпозиции можно представить в виде $\text K^0_{S}\approx \text K^0_{1}+\varepsilon \text K^0_{2}$ и $\text K^0_{L}\approx \text K^0_{2}+\varepsilon \text K^0_{1}, $ где $\text K^0_{1}=(1/\sqrt2) (\text K^0+\tilde {\text K}^0)$и $\text K^0_{2}=(1/\sqrt2) (\text K^0-\tilde {\text K}^0)$ – состояния с определённой комбинированной чётностью (СР-чётностью): $\text K^0_{1}$ – с положительной, $\text K^0_{2}$ – с отрицательной. Поэтому состояние $\text K^0_{2}$не может переходить в два пиона с положительной СР-чётностью и время жизни $\text K^0_{L}$ оказывается намного бо́льшим, чем у $\text K^0_{S}$, для которого канал распада на два пиона является основным. Как было установлено в 1964, долгоживущий $\text K^0_{L}$-мезон с вероятностью ≈ 2·10–3 также может распадаться на два пиона. Это свидетельствует о наличии $\text K^0_{1}$ в составе суперпозиции и нарушении СР-симметрии. Такое «миллислабое» нарушение СР-симметрии может быть объяснено в рамках стандартной модели элементарных частиц.
Осн. каналами распада нейтрального являются: $\text K^0_{L}\to \pi^\pm e^\mp \widetilde{\nu}_e (\nu_e)$(40,5%); $\text K^0_{L}\to\pi^\pm \mu^\mp \widetilde{\nu}_\mu (\nu_\mu)$(27%); $\text K^0_{L}\to3\pi^0 $ (19,6%); $\text K^0_{L}\to \pi^+ \pi^-\pi^0 $(12,6%). Время жизни $\text K^0_{L}$и $\text K^0_{S}$ соответственно равно: $\tau_{\text K^0_{L}}\approx (5,11\pm0,021)\cdot10^{-8}$ с, $\tau_{\text K^0_{S}}\approx 0,895\cdot10^{-10}$ с, а разность масс $m_{\text K_L} - m_{\text K_S}=(3,483±0,006)·10^{–6}$ эВ. Используя эту величину и ряд др. измеренных экспериментально параметров $\text K_L$-распада, можно заключить, что отношение разности масс $\tilde{\text K}^0$ и $\text K^0 $-мезонов к их средней массе не превышает 10–18. Эта величина является наиболее точной проверкой СРТ-теоремы, согласно которой массы частиц и античастиц должны быть равны друг другу.