Каон

Каон ( K-мезон) и ознака К^{[nb 1]} — која група од четири мезони, карактеристична по квантниот број наречен чудност. Во кварковиот модел се подразбира дека тие се сврзани состојби на еден чуден кварк (или антикварк) или горен или долен антикварк (или кварк).

Каоните се покажале како изобилен извор на информации, за природата на основните заемодејства, од нивното откривање во космичките зраци во 1947 година. Тие биле од суштинско значење, за воспоставувањето на темелите на стандардниот модел на честичната физика, како што е кварковиот модел на хадроните и теоријата за мешање на кварковите (подоцна теоријата е наградена со Нобеловата награда за физика во 2008 година).

Каоните одиграле значајна улога во нашето разбирање на основните закони за запазување: CP-нарушувањето, појава која ја создава асиметријата на набљудуваната материја-антиматерија во универзумот, откриена во каонскиот систем во 1964 година (што било потврдено со Нобелова награда во 1980 година). Понатаму, директното CP-нарушување било откриено во каонските распаѓања во раните 2000-ти години, од страна на експериментот NA48 во ЦЕРН и експериментот КТеВ во Фермилаб.

Четирите каони се :

1. 
   K−
   , негативно наелектризиран (кој содржи чуден кварк и еден горен антикварк) има маса од 493,677 ± 0,013 MeV и среден животен век од (1,2380 ± 0,0020)⋅10^-8 с
2. 
   K+
   (античестичка на погоре спомнатиот) позитивно наелектризиран (содржи горен кварк и чуден антикварк) мора (според CPT-инваријантност) има маса и живот еднаков на оној на
   K−
   . Експериментално, разликата на масата е 0,032 ± 0,090 MeV, следствено нула; разликата во животниот век е (0.11 ± 0.09) × 10^-8 s, исто така следствено нула.
3. 
   K0
   , неутрално наелектризиран (содржи долен кварк и чуден антикварк) има маса од 497.648 ± 0.022 MeV. Има среден квадратен полупречник на полнежот од -0.076 ± 0.01 fm².
4. 
   K0
   , неутрално наелектризиран (античестичка на погоре спомнатиот) (содржи чуден кварк и долен антикварк) ја има истата маса.

Како што покажува кварковниот модел, укажува на тоа дека каоните создаваат два пара на изоспин; односно, дека тие припаѓаат на основното претставување на SU (2) наречена 2. Еден пар на чудност +1 го содржи
K+
и 
K0
. Античестичките го создаваат другиот пар (со чудност -1).

Својства на каонот

Име на честичката	Симбол на честичката	Симбол на античестичката	Кваркова содржина	Маса при мирување (MeV/c2)	IG	JPC	S	C	B'	Среден животен век (сек.)	Вообичаено се распага до (>5% од распадите)
Каон[1]	K+	K−	u s	493,677 ± 0,016	1⁄2	0−	1	0	0	(1,2380 ± 0,0021)⋅10-8	π+ + π0 или π+ + π+ + π− или π0 + e+ + ν e
Каон[2]	K0	K0	d s	497,611 ± 0,013	1⁄2	0−	1	0	0	[a]	[a]
К-краток[3]	K0 S	Иста	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} \,}$[b]	497,611 ± 0,013[c]	1⁄2	0−	(*)	0	0	(8,954 ± 0,004)⋅10-11	π+ + π− или π0 + π0
К-долг[4]	K0 L	Иста	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} \,}$[b]	497,611 ± 0,013[c]	1⁄2	0−	(*)	0	0	(5,116 ± 0,021)⋅10-8	π0 + π0 + π0 или π+ + π0 + π−

^{[a] Силна квантно механичка состојба. Нема дефинитивен животен век (види ги белешките за Каон подолу)}

^{[b] Слаба квантно механичка состојба. Недостасува шминка на малото нарушување на ЦП терминот (видете ја забелешката за неутралните каони подолу).}

^{[c] Масите на
K0
L и
K0
S се дадени како онаа на
K0
. Меѓутоа, познато е дека разлика помеѓу масите на
K0
L и
K0
S од редот на 3,5 × 10-12 MeV/c2 постои.[4]}

Иако
K0
и нејзината античестика
K0
обично се создадени со јаката сила, тие се распаѓаат преку слабото заемодејство. Последично, еднаш создадени двете подобро е да се сметаат како суперпозиции на две слаби квантни состојби кои имаат многу различни животни векови:

1. Долготрајниот неутрален каон е наречен
   K
   L („К-долг“), се распаѓа првенствено на три пиони, и има просечен животен век од 5.18 × 10^-8 s.
2. Краткотрајниот неутрален каон е наречен
   K
   S („K-краток“), се распаѓа првенствено на два пиони, и има просечен животен век од 8.958 × 10^-11 s.

(Погледајте ја дискусијата за неутрално каонско мешање подолу.)

Експериментални набљудувања направени во 1964 година, покажале дека К-долгиот ретко се распаѓа на два пиона што било причина за откривањето на CP-нарушувањето (види подолу).

Главни модови на распаѓање за
K+
:

Резултат	Мод	Сооднос на разгранување
μ+ ν μ	лептонски	63,55 ± 0,11
π+ π0	лептонски	20,66 ± 0,08
π+ π+ π−	хадронски	5,59 ± 0,04
π+ π0 π0	хадронски	1,761 ± 0,022
π0 e+ ν e	полулептонски	5,07 ± 0,04
π0 μ+ ν μ	полулептонски	3,353 ± 0,034

Модовите на распаѓање за K^- се конјугативно наелектризирани на оние споманти погоре во табелата.

Откривањето на хадроните со внатрешен квантен број "непознатост" го означува почетокот на највозбудливата епоха во физиката на честички, која и сега, педесет години подоцна, сè уште не го нашла својот заклучок ... со големи експерименти го водела развојот, и тие големи откритија дошле неочекувано па дури и наспроти очекувањата, изразени од теоретичарите. — I.I. Bigi и A.I. Sanda, CP violation, (ISBN 0-521-44349-0)

Во 1947 година, Џорџ Рочестер и Клифорд Чарлс Батлер од Манчестерскиот универзитет, објавиле две фотографии од Вилсоновата комора, од настаните предизвикани од космичките зраци, од кои едната покажува дека се работи за неутрална честичка која се распаѓа на два наелектризирани пиони, а другата покажува дека се работи за наелектризирана честичка која се распаѓа на наелектризиран пион и нешто неутрално. Проценетата маса на новите честички била многу груба, околу половина од масата на протонот. Повеќето примери за овие „V-честички“ доспевале доста бавно.

Првото важно постигнување било добиено во Калтех, каде што Вилсоновата комора била однесена на планината Вилсон, за поголема изложеност на космички зраци. Во 1950 година, биле пријавени 30 наелектризирани и 4 неутрални V-честички. Инспирирани од ова, во текот на следните неколку години биле направени бројни набљудувања на планините, а до 1953 година била усвоена следната терминологија: „L-мезон“ означувајќи мион или пион. „K-мезон“ означувал средна честичка, со маса помеѓу пионот и нуклеонот. „Хиперон“ означувал каква било честичка потешка од нуклеонот.

Распаѓањата биле исклучително бавни; типичен животен век бил од редот на 10⁻¹⁰ s. Меѓутоа, производството во пион-протонските реакции продолжило многу побрзо, со временска скала од 10⁻²³ s. Проблемот на ова несогласување бил решен од страна на Абрахам Пајс, кој го претставил новиот квантен број наречен „чудност“, кој е заштитен од силните заемнодехства, но нарушен од слабите заемодејства. Необичните честички се појавуваат обилно за време на „здруженото производство“ на една необична и антинеобична честичка заедно. Наскоро било покажано дека ова не може да биде мултипликативен квантен број, бидејќи тоа требало да овозможи реакции, кои никогаш не биле видени во новите синхротрони, кои биле пуштенби во употреба во Брукхејвенската национална лабораторија во 1953 година и во Лоренс Берклиевата лабораторија во 1955 година.

Две различни распаѓања биле пронајдени кај наелектризираните чудни мезони:

Θ+	→	π+ + π0
τ+	→	π+ + π+ + π−

Следствената парност на пионот е P = -1, а парноста е мултипликативен квантен број. Поради тоа, двете конечни состојби имаат различни парности (P = +1 и P = -1, соодветно). Се мислело дека првичните состојби, исто така, треба да имаат различни парности, па оттука да бидат две различни честички. Меѓутоа, со попрецизни мерења, не била пронајдена разлика помеѓу масите и животните векови на секоја од нив соодветно, што покажува дека тие се иста честичка. Ова било познато како τ-θ загатка. Ова било разрешено само со откривањето на нарушување на парноста прислабите заемодејства. Бидејќи мезоните се распаѓаат низ слаби заемодејства, парноста не се зачувува, а двата распади се всушност распаѓања на истата честичка,^[5] сега наречена К⁺.

Првично се мислело дека иако парноста била нарушена, симетријата на CP- (парностa на полнежот) симетријата била запазена. Со цел да се разбере откривањето на CP-нарушувањето, неопходно е да се разбере мешањето на неутралните каони; оваа појава не бара CP-нарушување, но тоа е замислата во која првпат било забележано CP-нарушувањето.

Бидејќи неутралните каони поседуваат чудност, тие не можат да бидат свои античестички. Тогаш, мора да постојат два различни неутрални каона, кои се разликуваат за две единици на чудност. Прашањето било како да се утврди присуството на овие два мезона. Решението користело појава наречена осцилации на неутрална честичка, со кое овие два вида мезони можат да се претворат еден во друг преку слабите заемодејства, кои предизвикуваат нивно распаѓање во пиони (Погледајте ја сликата од спротива).

Овие осцилации најпрво биле истражувани од страна на Мареј Гел-Мен и Абрахам Пајс заедно. Тие ја земале предвид CP-инваријантноста за временскиот развој на состојбите со спротивна чудност. Во матричен запис тоа би изгледало:

${\displaystyle \psi (t)=U(t)\psi (0)={\rm {e}}^{iHt}{\begin{pmatrix}a\\b\end{pmatrix}},\qquad H={\begin{pmatrix}M&\Delta \\\Delta &M\end{pmatrix}},}$

каде што ψ е квантната состојба на системот, одредена од амплитудите на постоењето во секоја од двете основни состојби (кои се a и b за време t = 0). Дијагоналните елементи (М) на Хамилтонијанот се должат на силно заемнодејствувачката физика, која ја зачувува чудноста. Двата дијагонални елемента мора да бидат еднакви, бидејќи честичката и античестичката имаат еднакви маси, во отсуство на слаби заемодејства. Елементите надвор од дијагоналата, кои ги мешаат честичките со спротивна чудност, се должат на слабите заемодејства; CP-симетријата бара од нив да бидат вистински.

Последицата матрицата H да биде реална е веројатноста дека двете состојби засекогаш ќе осцилираат нанапред и наназад. Меѓутоа, ако било кој дел од матрицата е имагинарен, што е забрането од CP-симетријата, тогаш дел од комбинацијата ќе се намали со текот на времето. Делот кој се намалува може да биде или едната компонента (а) или другата (b) или мешавина од двете.

Состојбата на квантизираните динамички системи се добиваат со дијагонализација на оваа матрица. Ова дава нови квантизирани динамички вектори, кои можеме да ги наречеме K₁ кои се збир на две состојби на спротивната чудност, и K₂, која е разликата. Двете се состојби на квантизирани динамички системи на CP со спротивни состојби на квантизирани динамички системи; K₁ има CP = +1, и K₂ има CP = −1 Бидејќи конечната состојба со два пиони, исто така, има CP = +1, само K₁ може да се распаѓа на овој начин. К₂ мора да се распаѓа на три пиони. Бидејќи масата на К₂ е само малку поголема од збирот на масите на трите пиони, ова распаѓање се одвива многу бавно, околу 600 пати поспоро од распаѓањето на К₁ на два пиони. Овие два различни начини на распаѓање биле набљудувани од Леон Ледерман и неговите соработници во 1956 година, утврдувајќи го постоењето на две слаби состојби на квантизирани динамички системи (состојби со одреден животен век при распаѓање преку слабата сила) на неутралните каони.

Овие две слаби состојби на квантизирани динамички  системи се наречени
K
L (K-долги) и
K
S (K-кратки). CP-симетријата, која била претпоставувана во тоа време, наведува дека
K
S = K₁ и
K
L = K₂.

Првичниот чист зрак на
K0
ќе се претвори во своја античестичка додека се шири, која ќе се врати назад во оригиналната честичка, и така натаму. Ова се нарекува осцилација на честички. Набљудувајќи го слабото распаѓање во лептони, било откриено дека
K0
секогаш се распаѓа во електрон, додека античестиката
K0
се распаѓа во позитрон. Претходните анализи дале врска помеѓу степенот на добивање на електрон и позитрон од извори како што се
K0
и нејзината античестичка
K0
. Анализата на временската зависност на ова полулептонско распаѓање ја покажува појавата на осцилацијата и овозможи определување на поделбата на масата помеѓу
K
S и
K
L. Бидејќи ова се должи на слабите заемодејства, таа е многу мала, 10⁻¹⁵ пати од масата на секоја состојба.

Зрак од неутрални каони се распаѓа во лет, така што краткотрајниот
K
S исчезнува, оставајќи во зракот само чист долговечен
K
L. Ако овој зрак е истрелан во физичката супстанција, тогаш
K0
и неговата античестика
K0
различно дејствуваат со јадрата.
K0
е подложен на квазиеластично расејување со нуклеони, додека неговата античестичка може да создаде хиперони. Поради различните заемодејства на двете компоненти, квантната кохерентност меѓу двете честички е изгубена. Новиот зрак тогаш содржи различни линеарни суперпозиции на
K0
и
K0
. Таквата суперпозиција е мешавина од
K
L и
K
S;
K
S е регенериран со поминување на неутрален каонски зрак низ материјата. Регенерацијата била набљудувана од Оресте Пичони и неговите соработници во Лоренс Берклиевата национална лабораторија. Набргу потоа, Роберт Едеар и неговите соработници известиле за вишок на
K
S регенерација, отворајќи ново поглавје во историјата.

Додека се обидувале да ги потврдат резултатите на Едеар, Ј. Кристенсон, Џејмс Кронин, Вал Фич и Рене Турлеј од Принстонскиот универзитет пронашле распаѓање на
K
L на два пиони (CP = +1) во експеримент изведен во 1964 година, во Променливиот градиентски синхротрон во Брукхејвенската национална лабораторија.^[6] Како што беше објаснето во претходниот дел, ова побарувало претпоставените појдовни и конечни состојби да имаат различни вредности на CP, и оттаму веднаш навестуваат CP-нарушување. Другите објаснувања, како што се нелинеарната квантна механика и нова неоткриена честичка, наскоро биле отфрлени, оставајќи го CP-нарушувањето како единствена можност. Кронин и Фич добиле Нобелова награда за физика за ова откритие во 1980 година.

Произлегува дека иако
K
L и
K
S се слаби состојби на квантизирани динамички системи (бидејќи имаат одреден животен век на распаѓање, по пат на слабата сила), тие не се сосема CP-состојби на квантизирани динамички  системи. Наместо тоа, за мали ε (се до нормализацијата),

K
L = K₂ + εK₁

и слично за
K
S. Така повремено
K
L се распаѓа како K₁ со CP = +1, а исто така
K
S може да се распадне со CP=-1. Ова е познато како индиректно CP-нарушување, CP-нарушувањето поради мешањето на
K0
и нејзината античестичка. Постои, исто така и ефект на директно CP-нарушување, во кој CP-нарушувањето се случува за време на самото распаѓање. И двата начини се присутни, бидејќи и мешањето и распаѓањето произлегуваат од истата интеракција со W бозонот и на тој начин имаат CP-нарушување, предвидено од CKM матрицата. Директното CP-нарушување било откриено при каонското распаѓање, во раните 2000-ти години од страна на NA48 и КТеV експериментите во ЦЕРН и Фермилаб.

• Хадрони, мезони, хиперони и аромат
• Непознат кварк и кварков модел
• Парност (физика)
• Неутронска осцилација
• Неутронска честична осцилација

Забелешки

Наводи

• Amsler, C.; и др. (Particle Data Group) (2008). „Review of Particle Physics“. Physics Letters B. 667 (1): 1–1340. Bibcode:2008PhLB..667....1A. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018.
• Eidelman, S.; и др. (Particle Data Group) (2004). „Review of Particle Physics“. Physics Letters B. 592 (1): 1. arXiv:astro-ph/0406663. Bibcode:2004PhLB..592....1P. doi:10.1016/j.physletb.2004.06.001.
• The quark model, by J.J.J. Kokkedee
• Sozzi, M. S. (2008). Discrete symmetries and CP violation. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-929666-8.
• Bigi, I. I.; Sanda, A. I. (2000). CP violation. Cambridge University Press. ISBN 0-521-44349-0.
• Griffiths, D. J. (1987). Introduction to Elementary Particle. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-60386-4.