Большой энциклопедический словарь:
К-МЕЗОНЫ (каоны) (К) — группа элементарных частиц с нулевым спином и массой ок. 970 электронных масс, принадлежащая к странным частицам. В группу входят 2 заряженных (К-, К+) и 2 нейтральных (К °, °) К-мезона; К+ и °- античастицы К-, К °.
Большая советская энциклопедия:
К-мезоны
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 -мезонами (+, 0, -) и 0-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 : | Способы | Вероятность |
| | | | (сек) | распада | распада (в %) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| К+ | 494 | +1 | 1,2-10-8 | ±+ | 64 |
| К- | | —1 | | ±+ 0 | 21 |
| | | | | ±+ —+ + | 5,57 |
| | | | | ±+0+0 | 1,70 |
| | | | | ±+0+ | 3,18 |
| | | | | e±+0+ | 4,85 |
| | | | | e±+ | 1,2-10-5 |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| К0 | 498 | +1 | | Распады на ~50% по схеме K0S и на |
| | | —1 | | ~50% по схеме и на K0L (см. табл. |
| | | | | 2). |
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Табл. 2.— Основные способы распада K0S и K0L
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Частица | Масса м | Время жизни (сек) | Способы распада | Вероятность |
| | | | | распада (в %) |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| K0S | —mK0 | 0,86-10-10 | ++ — | 68,7 |
| | | | 0+0 | 31,3 |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| K0L | —mK0 | 5,4-10-8 | 0+0+0 | 21,5 |
| | Разность масс: | | ++—+0 | 12,6 |
| | m KL — m Ks — 3-10-6 | | ±+±+ | 26,8 |
| | эв | | ±+e±+ | 38,8 |
| | | | ++ — | 0,16 |
| | | | 0+0 | 0,12 |
| | | | + | 5-10-4 |
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Это были так называемые -мезоны, распадающиеся на два пи-мезона (См. Пи-мезоны), -мезоны, распадающиеся на три -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 — -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 0 + +, тогда как реакция К0 + р 0 + + запрещена законом сохранения странности в сильных взаимодействиях (здесь р — протон, 0 — 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 -, так и на 3 -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 K0L- и короткоживущему K0S-мeзонам. Разность масс K0S и K0L обусловлена слабым взаимодействием, вызывающим переходы K0 , и весьма мала. Время жизни и способы распада K0S и K0L 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 K0L и K0S. Состояния K0L и K0S близки к суперпозициям состояний, которые называют K01 и K02:
K0s — K01 = ,
K0L — K02 = ,
т. е. K0L и K0S приблизительно на 50% «состоят» из К0 и на 50% — из . Аналогичным образом можно утверждать, что К0 и приблизительно на 50% «состоят» из K0S и на 50% — из K0L тот факт, что состояния К0 и представляют суперпозицию двух состояний K0L и K0S 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 0 + + (эффект Пайса — Пиччони). Др. своеобразное явление — так называемая регенерация короткоживущих K0S-мeзонов при прохождении через вещество долгоживущих K0L-мeзонов: на достаточно больших расстояниях от места образования пучка К0 (или ) пучок состоит практически только из долгоживущих K0L, т.к. короткоживущие K0S распадаются раньше. Поэтому на таких расстояниях наблюдаются лишь распады, характерные для K0L (). Казалось бы, K0S не могут вновь появиться в пучке. Однако если пучок K0L пропустить через слой вещества, то из-за различия во взаимодействиях с веществом К0 и , составляющих K0L, изменяется относительный состав пучка и в пучке K0L появляется добавка K0S с характерными для K0S 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 2 (систему, обладающую теми же свойствами относительно операции СР, что и K01), a K02 не может. Поскольку вероятность распада на 2 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 K0L и K0S отождествлялись с K01 и К02. Однако в 1964 было установлено, что долгоживущий К-м. с вероятностью приблизительно 0,2% распадается на 2. Это свидетельствует о нарушении СР-симметрии и об отличии состояний K0L и K0S 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-+К++К0, в которой сохраняется странность. Распады образовавшихся частиц происходят в результате слабого взаимодействия с изменением странности на 1: К0++- (в точке 2); -0+К- (в точке 3); 0p+- (в точке 4); К-++-+- (в точке 5). Треки частиц искривлены, так как камера находится в магнитном поле. Пунктиром обозначены треки нейтральных частиц, не оставляющие следа в камере.
Физический энциклопедический словарь:
(каоны), группа нестабильных элем. ч-ц из двух заряженных (К+ , К=-) и двух нейтральных (К°, К=°) ч-ц с нулевым спином и массой, прибл. в 970 раз большей массы эл-на (в энергетич. ед. масса К+ равна 493,7 МэВ, а К°—497,7 МэВ). К-м. участвуют в сильном вз-ствии, т. е. явл. адронами: они не имеют барионного наряда и обладают ненулевым значением квант. числа странности (S): у К+ и К° S = + l, а у К- и К=° (являющихся античастицами К+ , К°) S=-1. Совместно с гиперонами К-м. относятся к странным частицам. К+ и К° объединяются в изотопич. дублет (см. ИЗОТОПИЧЕСКАЯ ИНВАРИАНТНОСТЬ) и рассматриваются как разл. зарядовые состояния одной ч-цы с изотопич. спином I=1/2. Аналогичную группу составляют К- и К=°.
Согласно модели кварков, в состав К- и К=° входит s-кварк с S=-1, a в состав К+ и К°— антикварк s= с S=+1 (см. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ).
Открытие К-м.. связано с работами большого числа учёных. В 1947—51 в косм. лучах были открыты ч-цы, массы к-рых были прибл. одинаковыми, а способы распада — разными: q-мезоны, распадающиеся на два p-мезона, и t-мезоны, распадающиеся на три p-мезона. В 1954 эти ч-цы стали получать с помощью ускорителей, и тщат. измерения масс и времён жизни показали, что во всех случаях наблюдались разл. способы распада одних и тех же ч-ц, названных К-м.
Сильное взаимодействие К-м. Закон сохранения странности в сильном вз-ствии накладывает характерный отпечаток на процессы сильного вз-ствия с участием К-м. Так, К+ и К° (.S=1) рождаются при столкновениях «нестранных» ч-ц— p-мезонов и нуклонов только совм. с гиперонами или К-, К=°, имеющими отрицат. значение странности. Сильное вз-ствие может вызывать, напр., процессы:
Во всех этих реакциях суммарная странность в конечном состоянии равна 0 в соответствии с тем, что в нач. состоянии S=0. К- и К=° рождаются при столкновении нестранных ч-ц либо совместно с К+ или К°, либо с антигиперонами, странность к-рых положительна. Рождение гиперонов в пучках К+ , К° менее вероятно, чем в пучках К-, К=°, т. к. оно требует появления совм. с гипероном неск. дополнит. К+ или К°. Поэтому медленные К+ , К° слабее взаимодействуют с в-вом, чем К-, К=°.
Слабое взаимодействие К — м. Распады К-м. обусловлены слабым вз-ствием и происходят с изменением странности на единицу. Они могут осуществляться разл. способами, напр. K±®m±+vm(v=m) (63,5%); p±+p° (21,16%). Время жизни К+ и К составляет 1,2•10-8 с. В распадах К-м. не сохраняются пространств. чётность и зарядовая чётность, что проявляется, напр., в возможности распада как на два, так и на три p-мезона.. Рисунок иллюстрирует процессы сильного и слабого вз-ствий К-м.
Схематич. изображение фотографии, полученной в водородной пузырьковой камере, иллюстрирующее процессы вз-ствий К-мезонов. В точке 1 за счёт сильного вз-ствия происходит реакция K-+р®W-+ К++К°, в к-рой сохраняется странность. Образовавшиеся ч-цы распадаются в результате слабого вз-ствия с изменением странности на 1: К°®p++p- (в точке 2); W-®-L°+К- (в точке 3); L°®p+p- (в точке 4); К-®p++p-+p- (в точке 5). Треки ч-ц искривлены, т. к. камера находится в магн. поле. Пунктиром обозначены треки нейтр. ч-ц, не оставляющих следа в камере.
Специфические свойства нейтральных К-м. К° и К=°, обладая разл. значениями странности, по-разному участвуют в сильном вз-ствии. Однако слабое вз-ствие, меняющее странность, делает возможными взаимные превращения K°«K=0. Т. к. странность в слабом вз-ствии меняется на единицу, то переходы К° «К=° с ?DS?=2 происходят в два этапа (во 2-м порядке по слабому вз-ствию). Наличие таких переходов между ч-цей и античастицей обусловливает уникальные св-ва нейтр. К-м. Для любых других ч-ц подобные переходы запрещены строгими законами сохранения, напр. электрич. или барионного заряда. В вакууме благодаря переходам К«К=0 состояниями, имеющими определённые энергию и время жизни, будут не К° и К=°, а две квантовомеханич. суперпозиции этих состояний, к-рые соответствуют ч-цам с разными массами и разными временами жизни: т. н. д о л г о ж и в у щ е м у К0L-мезону и к о р о т к о ж и в у щ е м у К0S-мезону. Время жизни К" составляет tL»5,18•10-8с, a K0S—tS»0,89•10-10 с. Их массы равны примерно массе К°; разность масс K°L и K0S пропорциональна амплитуде перехода К°«К=° и очень мала (=h/tS»3•10-6 эВ). Осн. способы распада K0S и К0L,
Т. о., в то время как в процессах, вызываемых сильным вз-ствием, проявляются состояния К° и К=°, обладающие определ. значениями странности, в процессах слабого вз-ствия как ч-цы проявляются состояния К0L и К0S. Состояния K0S и К0L близки к суперпозициям состояний, к-рые наз. К01 и К02:
(в (*) через K°S, K°L, К0, К=0 и т. д. обозначены волн. ф-ции соответствующих ч-ц; 1/?2 — нормирующий множитель), т. е. К0S и К0L прибл. на 50% «состоят» из К° и на 50% из К=0. Аналогично К° и К=° прибл. на 50% «состоят» из K0S и на 50% из К0L. Поэтому распады К° и К=° происходят прибл. на 50% по схеме распадов K0S и прибл. на 50% по схеме К0L. То, что состояния К° и К=° представляют суперпозицию состояний К0S и К0L с разными массами и временами жизни, приводит к появлению своеобразных осцилляции («биений»), аналогичных биениям в системе, состоящей из двух связанных между собой маятников, имеющих одинаковые частоты колебаний. Так, К°, возникая в результате сильного вз-ствия, на нек-ром расстоянии от точки рождения частично превращается за счёт слабого вз-ствия в К=° и оказывается способным вызывать яд. реакции, характерные для К=° и запрещённые для К°, напр. реакцию К=0+р®L0+p+. Другое своеобразное явление — т. н. регенерация K0S при прохождении через в-во долгоживущих К0L-мезонов. На достаточно больших расстояниях от места образования пучка К° (или К=°) он состоит практически только из К0L, т. к. короткоживущие К0S распадаются раньше. Поэтому на таких расстояниях наблюдаются лишь распады, характерные для K0L. Казалось бы, K0S не могут вновь появиться в пучке. Однако при прохождении пучка К0L через слой в-ва из-за различия во вз-ствиях с в-вом К° и К=°, «составляющих» K0L, изменяется относит. состав пучка и появляется добавка K0S с характерными для них распадами.
Комбинации К01 и К02 обладают определ. симметрией относительно операции комбинированной инверсии — комбинированной чётностью (или СР-чотностью): у К01 СР=+1, у К02 СР=-1. Поэтому К01 может распадаться на два p (систему, обладающую теми же ев-вами относительно операции СР, что и К01), а К02 не может. Т. к. вероятность распада на дваpзначительно превышает вероятности др. каналов распада, большое различие во временах жизни К0L и К0S считалось указанием на существование в природе симметрии относительно операции комбиниров. инверсии, а состояния K0S и K0L отождествлялись с K01 и К02. Однако в 1964 было установлено, что К0L с вероятностью прибл. 0,2% распадается на два p. Это свидетельствует о нарушении СР-симметрии и об отличии состояний K0S и К0L от K01 и К02. Другое проявление нарушения СP-инвариантности — зарядовая асимметрия распадов K0L®p-+e+(m:+)+v=e(v=m) и К0L®p+ +e-(m-)+v=e(v=m): вероятность первого распада больше, чем второго, прибл. на 10-3. Это означает, что K0L не явл. истинно нейтральной частицей. Природа сил, нарушающих СР-симметрию, не выяснена.
© «СловоТолк.Ру» — толковые и энциклопедические словари, 2007-2020