БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (КМ)

Большая Советская Энциклопедия (КМ)

К-мезоны

К-мезо'ны, 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, т. е. являются адронами; они не имеют барионного заряда и обладают отличным от нуля значением квантового числа странности (S), характеризующей их поведение в процессах, обусловленных сильным взаимодействием: у К+ и К° S=+1, а у К- и  (являющихся античастицами К+, К°) S = —1. Совместно с гиперонами К.-м. образуют группу так называемых странных частиц (частиц, для которых S ¹ 0).

  К+ и К° 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 I = 1/2. Аналогичную группу составляют  и . Из-за различия в странности нейтральные К-м. К° и  являются разными частицами, различным образом участвующими в сильных взаимодействиях.

  Согласно современной классификации элементарных частиц, К-м. (К+, К°, , ) вместе с p-мезонами (p+, p0, p-) и h0-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 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 t: (сек) Способы распада Вероятность распада (в %) К+ К- 494 +1 —1 1,2-10-8 m±+n p±+ p0 p±+ p—+ p+ p±+p0+p0 m±+p0+n e±+p0+n e±+n 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 K0S и K0L

Частица Масса м Время жизни t (сек) Способы распада Вероятность распада (в %) K0S »mK0 0,86-10-10 p++ p— p0+p0 68,7 31,3 K0L »mK0 Разность масс: m KL — m Ks » 3-10-6 эв 5,4-10-8 p0+p0+p0 p++p—+p0 p±+m±+n p±+e±+n p++ p— p0+p0 g+ g 21,5 12,6 26,8 38,8 0,16 0,12 5-10-4

Это были так называемые q-мезоны, распадающиеся на два пи-мезона, t-мезоны, распадающиеся на три p-мезона, и др. Значит. прогресс в изучении этих частиц начался с 1954, когда их удалось получать с помощью ускорителей 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 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 — p-мезонов и нуклонов (протонов и нейтронов) — только совместно с гиперонами или , , 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 ® L0 + p+, тогда как реакция К0 + р ® L0 + p + запрещена законом сохранения странности в сильных взаимодействиях (здесь р — протон, L0 — 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 , .

  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 p-, так и на 3 p-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 Û . 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 для переходов нейтрино — антинейтрино).

  В вакууме благодаря переходам K0 Û  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-meзонам. Разность масс K0S и K0L обусловлена слабым взаимодействием, вызывающим переходы K0 Û , 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 ® L0 + p + (эффект Пайса — Пиччони). Др. своеобразное явление — так называемая регенерация короткоживущих K0S-meзонов при прохождении через вещество долгоживущих K0L-meзонов: 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.