Kaon (részecske)

A J^PC = 0⁻⁺ mezonnonett.

A J^PC = 0⁻⁺ mezonnonett.

A J^PC = 1⁻⁻ mezonnonett.

A J^PC = 1⁻⁻ mezonnonett.

A részecskefizikában a kaon az összefoglaló neve négy mezonnak, a két töltött és két semleges K-mezonnak: K⁺, K⁻, K_S és K_L. Utóbbi kettő a határozott tömegállapotban levő két semleges K-mezon.

A kaonok felfedezése

V-részecskék

Patrick Blackett manchesteri csoportjának tagjaiként 1946–47-ben Clifford Charles Butler és George Rochester kozmikus sugárzás hatását vizsgálták ólomtömb céltárgyra ejtve. A keletkező részecskéket mágneses térbe helyezett ködkamrával figyelték meg. 1946. október 15-én egy különös fordított V alakú nyomot láttak, amelyet egy semleges részecskének két töltött részecskére való bomlásaként interpretáltak. 1947 májusában láttak még egyet, amelyik viszont egy töltött részecske bomlásának tűnt.Sablon:Refhely A két fényképet 1947-ben publikálták.Sablon:Refhely A berendezést ezután áthelyezték Manchesterből a francia Pireneusokba, a Pic du Midi-in levő obszervatóriumba, hogy növeljék a kozmikus sugárzás intenzitását. Végül az újfajta különös részecskéknek két csoportját sikerült elkülöníteni. Később kapott nevükön az egyiket a kaonok vagy K-mezonok, a másikat a hiperonok alkották. Különösségük abban állt, hogy a magfizikai időskálán szokatlanul hosszú élettartamúak voltak, ezért szabad szemmel látható hosszúságú repülés után bomlottak csak el.Sablon:Refhely Élettartamuk 10⁻¹⁰ nagyságrendű volt, miközben keltési gyakoriságuk alapján ezt 10⁻²³ nagyságrendűnek várták volna.Sablon:Refhely

A τ–Θ-probléma, paritássértés

Az eddig megtalált két új mezon kezdetben a Θ⁰ és τ⁺ nevet viselte. Utóbbi nem tévesztendő össze a mai τ-lepton nevével. A megfigyelt bomlási módjuk a következő volt:Sablon:Refhely

${\mathrm{\Theta }}^0\to {\pi }^{+}{\pi }^{-}$

${\tau }^{+}\to {\mu }^{+}+{\nu }_{\mu }$

Hamarosan számos új részecskét és bomlási módot fedeztek fel, s az új mezonok sora már így nézett ki: τ⁺, τ'⁺, κ⁺, θ⁰, χ⁺. 1953 júliusában a franciaországi Bagneres-de-Bigorre-ban tartott nemzetközi kozmikus sugárzási konferencián elhatározták, hogy valamennyit K-mezonnak fogják hívni és nevükben jelölni fogják a töltésüket, és bomlási módjukat a következő formában:Sablon:Refhely

$K_{\nu \xi }^Q$ (például a fenti két részecske: $K_{2\pi }^0$ és $K_{\mu \nu }^{+}$ )

ahol Q az elektromos töltésszám, ν a bomlástermékek száma, ξ pedig a típusa. Ennyi új részecske sem volt azonban. A τ⁺ és Θ⁺ csak annyiban különböztek egymástól, hogy az előbbi bomlástermékeinek (-1)(-1)^J volt a paritása, míg az utóbbiénak (-1)^J, ahol J a bomló részecske spinje. Két megoldás lehetséges. Vagy a két részecske paritása különböző, vagy a paritás nem marad meg ezen bomlás során. Az utóbbi sokak számára elképzelhetetlen volt, ellenkezett a klasszikus fizika tapasztalatával, de végül Lee és Yang 1956-ban ezt a megoldást javasolták, 1957-ben pedig Wu a kobalt magok bomlása során explicit módon be is bizonyította a paritássértést. A τ⁺ és Θ⁺ részecske tehát ugyanannak a részecskének, az ezentúl K⁺-nak nevezett részecskének bizonyult.Sablon:Refhely

A kaonok ritkasága és izospinje

1952-től a kozmikus sugárzás mellett majd helyett szinkrotronokkal vizsgálták az új részecskék keletkezését, az első ilyen részecskegyorsítók a Brookhaveni Nemzeti Laboratórium Cosmotronja és a Berkely Bevatronja voltak.Sablon:Refhely Abraham Pais 1952-ben megjósolta a ritkaságot, egy új töltésjellegű mennyiséget, amely az erős kölcsönhatásban megmarad, de sérül a gyenge kölcsönhatásban. Ez magyarázta az új részecskék különös viselkedését, nagy keltési, de kicsi bomlási hatáskeresztmetszetét. Az erős kölcsönhatásban keletkeztek párban, de azután bomlani csak gyenge kölcsönhatással tudtak.Sablon:Refhely

Keltési tulajdonságaik alapján a kaonokat két izodublettbe lehetett besorolni:Sablon:Refhely

$\left(\begin{array}{c}{K}^{+}\\ K^0\end{array}\right)$ és $\left(\begin{array}{c}\stackrel{0}{\stackrel{‾}{K}}\\ K^{-}\end{array}\right)$

A keltési módjaikból:

${\pi }^{+}+n\to {\mathrm{\Lambda }}^0+K^{+}$

${\pi }^{-}+p\to {\mathrm{\Lambda }}^0+K^0$

ahol az erős kölcsönhatás miatt az izospin megmarad, világos, hogy a K-mezonok izospinje nem lehet egész., mivel a Λ barion izoszingulett.

A megfigyelhető semleges kaonok és a CP-szimmetria

A semleges K-mezon és antirészecskéje egyaránt tud bomlani mindkét kétpionos végállapotra, ezért Enrico Fermi kérdezte, hogyan lehet őket megkülönböztetni.Sablon:Refhely

$K^0\to {\pi }^0{\pi }^0,\stackrel{0}{\stackrel{‾}{K}}\to {\pi }^0{\pi }^0,K^0\to {\pi }^{+}{\pi }^{-},\stackrel{0}{\stackrel{‾}{K}}\to {\pi }^{+}{\pi }^{-}$

Pais és Gell-Mann álltak elő az ötlettel, hogy a két semleges K-mezon keveredik:Sablon:Refhely

$|K_S⟩=\frac{|K^0⟩+|\stackrel{0}{\stackrel{‾}{K}}⟩}{\sqrt{2}},|K_L⟩=\frac{|K^0⟩-|\stackrel{0}{\stackrel{‾}{K}}⟩}{\sqrt{2}}$

Ezek a CP-tükrözés sajátállapotai +1 illetve −1 sajátértékkel, és mint kiderült, a gyenge kölcsönhatásnak ezek a sajátállapotai, ezek rendelkeznek a gyenge bomlásban határozott élettartammal. A K_S élettartama ~10⁻¹⁰s (S: short „rövid”) a K_L-é ~10⁻⁸s (L: long „hosszú”).

Alapvető tulajdonságaik

Részecske	Jel	Anti- részecske	Kvark összetétel	I (JP) N2S+1LJ	Nyugalmi tömeg MeV/c²Sablon:Refhely	S	C	B	T	közepes élettartam τ(s) / (cτ)	teljes szélesség (MeV)	bomlási mód	elágazási aránySablon:Refhely
töltött kaon	${\mathrm{K}}^{\mathrm{+}}$	${\mathrm{K}}^{\mathrm{-}}$	$\mathrm{u}\overline{\mathrm{s}}$	½ (0−) 11S0	493.7	+1	0	0	0	1.238×10−8 (3.712 m)		${\mu }^{+}{\bar{\nu }}_{\mu }$ ${\pi }^{+}{\pi }^0$ ${\pi }^{+}{\pi }^{+}{\pi }^{-}$ ${\pi }^0{e}^{+}{\bar{\nu }}_e$ ${\pi }^0{\mu }^{+}{\bar{\nu }}_{\mu }$ ${\pi }^{+}{\pi }^0{\pi }^0$	0.6355 0.2066 0.0559 0.0507 0.0335 0.0176
semleges kaon	${\mathrm{K}}^{\mathrm{0}}$	$\stackrel{\mathrm{0}}{\bar{\mathrm{K}}}$	$\mathrm{d}\overline{\mathrm{s}}$	½ (0−) 11S0	497.6	+1	0	0	0	–		ld. KS és KL
semleges kaon	$\stackrel{\mathrm{0}}{\bar{\mathrm{K}}}$	${\mathrm{K}}^{\mathrm{0}}$	$\overline{\mathrm{d}}\mathrm{s}$	½ (0−) 11S0	497.6	−1	0	0	0	–		ld. KS és KL
töltött kaon	${\mathrm{K}}^{\mathrm{-}}$	${\mathrm{K}}^{\mathrm{+}}$	$\overline{\mathrm{u}}\mathrm{s}$	½ (0−) 11S0	493.7	−1	0	0	0	1.238×10−8 (3.712 m)		${\mu }^{-}{\nu }_{\mu }$ ${\pi }^{-}{\pi }^0$ ${\pi }^{-}{\pi }^{+}{\pi }^{-}$ ${\pi }^0{e}^{-}{\nu }_e$ ${\pi }^0{\mu }^{-}{\nu }_{\mu }$ ${\pi }^{-}{\pi }^0{\pi }^0$	0.6355 0.2066 0.0559 0.0507 0.0335 0.0176
K-short	${\mathrm{K}}_{\mathrm{S}}$	–	$\frac{\mathrm{d}\overline{\mathrm{s}}+\overline{\mathrm{d}}\mathrm{s}}{\sqrt{2}}$	½ (0−) 11S0	497.6	–	0	0	0	0.895×10−10 (2.68 cm)		${\pi }^{+}{\pi }^{-}$ ${\pi }^0{\pi }^0$	0.692 0.307
K-long	${\mathrm{K}}_{\mathrm{L}}$	–	$\frac{\mathrm{d}\overline{\mathrm{s}}-\overline{\mathrm{d}}\mathrm{s}}{\sqrt{2}}$	½ (0−) 11S0	497.6	–	0	0	0	5.12×10−8 (15.34 m)		${\pi }^{\pm }{e}^{\mp }{\nu }_e$ ${\pi }^{\pm }{\mu }^{\mp }{\nu }_{\mu }$ ${\pi }^{+}{\pi }^{-}{\pi }^0$ ${\pi }^0{\pi }^0{\pi }^0$	0.406 0.270 0.195 0.125
K*(892)	${\mathrm{K}}^{\mathrm{*}\mathrm{+}}\mathrm{(}\mathrm{8}\mathrm{9}\mathrm{2}\mathrm{)}$	${\mathrm{K}}^{\mathrm{*}\mathrm{-}}\mathrm{(}\mathrm{8}\mathrm{9}\mathrm{2}\mathrm{)}$	$\mathrm{u}\overline{\mathrm{s}}$	½ (1−) 1³S1	891.7	+1	0	0	0		51	$K\pi$	~1
K*(892)	${\mathrm{K}}^{\mathrm{*}\mathrm{0}}\mathrm{(}\mathrm{8}\mathrm{9}\mathrm{2}\mathrm{)}$	$\stackrel{\mathrm{*}\mathrm{0}}{\bar{\mathrm{K}}}\mathrm{(}\mathrm{8}\mathrm{9}\mathrm{2}\mathrm{)}$	$\mathrm{d}\overline{\mathrm{s}}$	½ (1−) 1³S1	895.2	+1	0	0	0		47.4	$K\pi$	~1
K*(892)	$\stackrel{\mathrm{*}\mathrm{0}}{\bar{\mathrm{K}}}\mathrm{(}\mathrm{8}\mathrm{9}\mathrm{2}\mathrm{)}$	${\mathrm{K}}^{\mathrm{*}\mathrm{0}}\mathrm{(}\mathrm{8}\mathrm{9}\mathrm{2}\mathrm{)}$	$\overline{\mathrm{d}}\mathrm{s}$	½ (1−) 1³S1	895.2	−1	0	0	0		47.4	$K\pi$	~1
K*(892)	${\mathrm{K}}^{\mathrm{*}\mathrm{-}}\mathrm{(}\mathrm{8}\mathrm{9}\mathrm{2}\mathrm{)}$	${\mathrm{K}}^{\mathrm{*}\mathrm{+}}\mathrm{(}\mathrm{8}\mathrm{9}\mathrm{2}\mathrm{)}$	$\overline{\mathrm{u}}\mathrm{s}$	½ (1−) 1³S1	891.7	−1	0	0	0		51	$K\pi$	~1

Források

• Sablon:Hely Sablon:CitWeb
• Sablon:Hely Sablon:CitWeb
• Sablon:Hely Sablon:CitPer
• Sablon:Hely Sablon:CitPer

További információk

• Sablon:Hely Sablon:Cite book
• Sablon:Hely Sablon:Cite book
• Sablon:Hely Sablon:CitWeb