К-мезоны

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, 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 K⁰_s и на ~50% по схеме и на k⁰_L (см. табл. 2).
Табл. 2.- Основные способы распада K⁰_s и k⁰_L
Частица
Масса м
Время жизни t (сек)
Способы распада
Вероятность распада (в %)
K⁰_s
"m_K⁰
0,86-10^-10
p⁺+ p^-
p⁰+p⁰
68,7
31,3
k⁰_L
"m_K⁰
Разность масс:
^m k_L - ^m K_s " 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 K⁰_L- и короткоживущему K⁰_S-meзонам. Разность масс K⁰_S и K⁰_L обусловлена слабым взаимодействием, вызывающим переходы K⁰ Û , 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 ? L⁰ + p ⁺ (эффект Пайса - Пиччони). Др. своеобразное явление - так называемая регенерация короткоживущих K⁰_S-meзонов при прохождении через вещество долгоживущих K⁰_L-meзонов: 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 2p (систему, обладающую теми же свойствами относительно операции СР, что и K⁰₁), a K⁰₂ не может. Поскольку вероятность распада на 2p 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 2p. 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.