К-мезоны

К-мезо́ны

Каоны, группа нестабильных элементарных частиц, в которую входят две заряженные (К⁺, К^-) и две нейтральные (К⁰, ) частицы с нулевым Спином и массой приблизительно в 970 раз большей, чем масса электрона. К.-м. участвуют в сильных взаимодействиях (См. Сильные взаимодействия), т. е. являются адронами; они не имеют барионного заряда (См. Барионный заряд) и обладают отличным от нуля значением квантового числа странности (См. Странность) (S), характеризующей их поведение в процессах, обусловленных сильным взаимодействием: у К⁺ и К⁰ S=+1, а у К^- и (являющихся античастицами (См. Античастицы) К⁺, К⁰) S = —1. Совместно с гиперонами (См. Гипероны) К.-м. образуют группу так называемых странных частиц (частиц, для которых S ≠ 0).

К⁺ и К⁰ 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 (См. Изотопический спин) I = ¹/₂. Аналогичную группу составляют К^- и . Из-за различия в странности нейтральные К-м. К⁰ и являются разными частицами, различным образом участвующими в сильных взаимодействиях.

Согласно современной классификации элементарных частиц, К-м. (К⁺, К⁰, К^-, ) 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 (См. Космические лучи) 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 %)
К+ К-	494	+1 —1	1,2-10-8	μ±+ν π±+ π0 π±+ π—+ π+ π±+π0+π0 μ±+π0+ν e±+π0+ν e±+ν	64 21 5,57 1,70 3,18 4,85 1,2-10-5
К0	498	+1 —1		Распады на ~50% по схеме K0S и на ~50% по схеме и на K0L (см. табл. 2).

Табл. 2.— Основные способы распада K⁰_S и K⁰_L

Это были так называемые θ-мезоны, распадающиеся на два пи-мезона (См. Пи-мезоны), τ-мезоны, распадающиеся на три π-мезона, и др. Значит. прогресс в изучении этих частиц начался с 1954, когда их удалось получать с помощью ускорителей заряженных частиц (См. Ускорители 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 (См. Слабые взаимодействия) 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, К⁺ и К⁰, имеющие S = +1, рождаются при столкновениях «нестранных» частиц — π-мезонов и нуклонов (протонов и нейтронов) — только совместно с гиперонами или К^-, , имеющими отрицательное значение странности (см., например, в ст. Гипероны).

Поскольку все гипероны имеют отрицательную странность, они легче рождаются в процессах, вызванных К^- и , чем в процессах, вызванных К⁺ и К⁰. Например, возможна реакция + р → Λ⁰ + π⁺, тогда как реакция К⁰ + р → Λ⁰ + π ⁺ запрещена законом сохранения странности в сильных взаимодействиях (здесь р — протон, Λ⁰ — гиперон). Рождение гиперонов в пучках К⁺, К⁰ менее вероятно, т.к. оно требует появления совместно с гипероном нескольких дополнительных К⁺ или К⁰.

Поэтому медленные К⁺, К⁰ слабее взаимодействуют с веществом, чем К^-, .

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 К⁰- и -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 ⇔ . 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 (См. Лептонный заряд) для переходов нейтрино — антинейтрино).

В вакууме благодаря переходам K⁰ ⇔ состояниями, имеющими определённую энергию и время жизни, будут не К⁰ и , 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-мeзонам. Разность масс K⁰_S и K⁰_L обусловлена слабым взаимодействием, вызывающим переходы K⁰ ⇔ , 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 К⁰ и , 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:

K⁰_s — K⁰₁ = ,

K⁰_L — K⁰₂ = ,

т. е. K⁰_L и K⁰_S приблизительно на 50% «состоят» из К⁰ и на 50% — из . Аналогичным образом можно утверждать, что К⁰ и приблизительно на 50% «состоят» из K⁰_S и на 50% — из K⁰_L тот факт, что состояния К⁰ и представляют суперпозицию двух состояний K⁰_L и K⁰_S разными массами и временами жизни, приводит к появлению своеобразных осцилляций («биений»): К⁰, возникая в результате сильного взаимодействия, на некотором расстоянии от точки рождения частично превращается за счёт слабого взаимодействия в и потому оказывается способным вызывать ядерные реакции, характерные для и запрещенные для К⁰, например реакцию + р → Λ⁰ + π ⁺ (эффект Пайса — Пиччони). Др. своеобразное явление — так называемая регенерация короткоживущих K⁰_S-мeзонов при прохождении через вещество долгоживущих K⁰_L-мeзонов: на достаточно больших расстояниях от места образования пучка К⁰ (или ) 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 (). 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 К⁰ и , 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 К⁰₂ обладают определённой симметрией относительно операции комбинированной инверсии (СР): при переходе от частиц к античастицам (операция зарядового сопряжения С) с одновременным пространственным отражением (операция Р) волновая функция, соответствующая состоянию K⁰₁, остаётся неизменной, а волновая функция К⁰₂ меняет знак. Поэтому состояние K⁰₁ может распадаться на 2π (систему, обладающую теми же свойствами относительно операции СР, 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 К⁰₂. Однако в 1964 было установлено, что долгоживущий К-м. с вероятностью приблизительно 0,2% распадается на 2π. Это свидетельствует о нарушении СР-симметрии и об отличии состояний K⁰_L и K⁰_S от K⁰₁ и К⁰₂. Природа сил, нарушающих СР-симметрию, ещё не выяснена. Имеющиеся эксперимент. данные не противоречат возможности существования в природе особого «сверхслабого» взаимодействия, нарушающего симметрию СР 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 К^-+p→Ω^-+К⁺+К⁰, в которой сохраняется странность. Распады образовавшихся частиц происходят в результате слабого взаимодействия с изменением странности на 1: К⁰→π⁺+π^- (в точке 2); Ω^-→Λ⁰+К^- (в точке 3); Λ⁰→p+π^- (в точке 4); К^-→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.