Каони

Каони або K-мезони — група чотирьох мезонів, для яких характерне квантове число дивність. До складу каонів входить дивний кварк. Чотири каони позначаються: K^-, K⁺, K⁰ та K⁰.

Дивність каонів у тому, що вони народжуються при сильній взаємодії, а розпадаються тільки через слабку взаємодію, а тому мають порівняно довгий час життя. Два нейтральних каони народжуються парами внаслідок сильної взаємодії, але згодом за допомогою механізму, який називають осциляції нейтральних частинок, перетворюються на суміш двох інших каонів: нейтрального каона з довгим часом життя і нейтрального каона з коротким часом життя. Часи життя цих двох частинок відрізняються на три порядки.

Каони відіграли значну роль у встановлені фундаментальних законів збереження.

Властивості

Назва	Частинка символ	Анти- частинка символ	Складові кварки	маса спокою (МеВ/c^2)	I^G	J^PC	S	C	B'	Час життя (с)	Зазвичай розпадається на (>5 % розпадів)
Заряджений каон[1]	К^+	К^-	us	493.677±0.016	1/2	0^−	1	0	0	(1.2380±0.0021)×10^−8	μ^+ + νμ або π^+ + π^0 π^+ + π^+ + π^- або π^0 + e^+ + νe
Нейтральний каон[2]	K^0	K^0	ds	497.614±0.024	1⁄2	0^−	1	0	0	невизначений [a]	невизначено [a]
Короткий каон[3]	KS^0	власна	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} \,}$^[b]	497.614±0.024^[c]	1⁄2	0^−	нв	0	0	(8.953±0.005)×10^−11	π^+ + π^- або π^0 + π^0
Довгий каон[4]	KL^0	власна	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} \,}$^[b]	497.614±0.024^[c]	1⁄2	0^−	нв	0	0	(5.116±0.020)×10^−8	π^+ + e^- + νe або π^- + e^+ + νe або π^+ + μ^- + νμ або π^- + μ^+ + νμ або π^0 + π^0 + π^0 або π^+ + π^0 + π^-

^[a] ↑  Власний стан сильної взаємодії. Час життя не визначений)

^[b] ↑ Власний стан слабкої взаємодії. В будові пропущений малий член, який відповідає за порушення CP-інваріантності.

^[c] ↑  Маси короткого і довгого нейтральних каонів зазначені рівними масам нейтральних каонів. Однак, відомо, що між масами довгого і короткого каонів існує різниця порядка 2.2×10⁻¹¹ МеВ/с^[4].

Особливості нейтральних каонів

Каон K⁰ має античастинку K⁰. Ця частинка народжується в реакціях при участі сильної взаємодії. Однак, вона не є власним станом оператора CP-парності. Внаслідок слабкої взаємодії стани K⁰ та K⁰ змішуються. Тобто, якщо при народженні утворюється пучок K⁰-каонів, то на деякій віддалі від джерела летить уже змішаний пучок K⁰ та K⁰.

Власними станами оператора CP-парності є стани K⁰₁ та K⁰₂.

${\displaystyle K_{1}^{0}={\frac {K^{0}-{\bar {K}}^{0}}{\sqrt {2}}}}$.

${\displaystyle K_{2}^{0}={\frac {K^{0}+{\bar {K}}^{0}}{\sqrt {2}}}}$.

Стан K⁰₁ має CP-парність ${\displaystyle \eta _{CP}=+1}$, стан K⁰₂ має ${\displaystyle \eta _{CP}=-1}$. Виходячи з міркувань збереження CP-парності, K⁰₁ розпадається на два піони, а K⁰₂ на три піони. Розпад на два піони проходить набагато швидше, ніж розпад на три піони, тому початковий пучок K⁰-каонів на значній віддалі від джерела стає пучком K⁰₂-каонів, який, виходячи з міркувань збереження CP-парності, не повинен розпадатися на два піони.

Проте, як показали експерименти, пучок каонів навіть на значній віддалі від джерела, розпадається із невеликою імовірністю на два піони, що свідчить про незбереження CP-парності.

Відповідно, справжніми частинками є не власні частинки оператора CP-парності K⁰₁ та K⁰₂, а інші частинки, які позначають K⁰_S та K⁰_L.

Історія досліджень

Уперше каони спостерігали Джордж Рочестер та Кліффорд Чарлз Батлер в 1947, проводячи дослідження космічних променів з камерою Вілсона в Манчестерському університеті. Вони помітили, що якась нейтральна частинка розпадається на два заряджені піони, а якась заряджена частинка розпадається на заряджений піон і ще щось. Маса цих частинок була приблизно рівною половині маси протона.

У 1950 дослідники з Калтеху встановили камеру Вілсона на горі Вілсона з метою дослідження космічних променів. Вони підтвердили випадки таких реакцій. Після цього експеримент повторяли в багатьох гірських лабораторіях, і до 1953 невідомі частинки отримали назву К-мезонів. Легші мезони, піони та мюони назвали L-мезонами, а все, що було важче від протона — гіперонами.

Розпад К-мезонів відбувався повільно, за часи порядка 10⁻¹⁰ с, тоді як утворення за часи порядка 10⁻²³ с. Для пояснення цього Абрагам Пайс постулював існування квантового числа, яке він назвав дивністю. Дивність зберігається при сильній, але не зберігається при слабій взаємодії.

В 2024 році у віці 98 років британка Розмарі Фаулер отримала визнання за своє новаторське відкриття, отриманого ще в 1948 році. Британська вчена здійснила прорив у фізиці частинок, виявивши частинку каон під час роботи над своєю докторською дисертацією в Університеті Бристоля. Це відкриття не лише сприяло отриманню Нобелівської премії її науковим керівником Сесілом Павеллом, але й революціонізувало розуміння субатомних частинок^[5].

Порушення парності

Незабаром виявилося, що каони розпадаються не тільки на два піони, а й на три. Три піони мають інші парність, ніж два, тож спочатку думали, що спостерігаються різні частинки з близькими масами. Однак, після того, як було доведено, що при слабкій взаємодії парність не зберігається, проблема вирішилася.

Порушення CP інваріантності

У 1964 Джеймс Кронін та Вал Фітч із Брукгейвенської національної лабораторої експериментально довели, що в реакціях із каонами не зберігається також комбінація парності і зарядової парності. К_L розпадається на два піони. За це відкриття вони були нагороджені Нобелівською премією за 1980 рік.

Розпад заряджених каонів

В 2024 році у CERN вперше зафіксували навдивовижу рідкісний розпад зарядженого каона на піон і пару з нейтрино та антинейтрино ℬ(K+ → π+νν¯), що підтверджує передбачення Стандартної моделі фізики та може вказувати на нові фізичні явища. Статистична точність результатів досягла рівня 5 сигм (Five Sigma), що означає надзвичайно низьку ймовірність випадкової помилки - менше за один шанс на 3,5 млн. Результати дослідження були представлені на семінарі в CERN, який відбувся 24 вересня 2024 року^[6]. Як відомо, каони - це нестабільні частинки з коротким часом життя близько 12 нс, які зазвичай розпадаються на мюони та нейтрино. Однак існує надзвичайно рідкісний процес, коли каон розпадається на піон і пару з нейтрино та антинейтрино, що відбувається лише в приблизно одному випадку на кожні 10 млрд розпадів. Спостереження цього процесу є надзвичайно складним через те, що нейтрино практично не взаємодіють з іншими частинками. Попри це, команда дослідників NA62 збирала дані протягом кількох років і вже у 2019 році оголосила про перші результати, зафіксувавши декілька випадків рідкісного розпаду, а додаткові спостереження у 2024 році дозволили підтвердити ці відкриття^[7].

Див. також

• Тета-тау-парадокс

Джерела

• Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. — М. : Мир, 1979. — 736 с.

Примітки

1. C. Amsler et al. (2008): Particle listings — К⁺ та K^- мезони [Архівовано 30 січня 2017 у Wayback Machine.]
2. C. Amsler et al. (2008): Particle listings — К⁰ мезони [Архівовано 26 січня 2017 у Wayback Machine.]
3. C. Amsler et al. (2008): Particle listings — Короткий K⁰ мезон [Архівовано 11 лютого 2017 у Wayback Machine.]
4. C. Amsler et al. (2008): Particle listings — Довгий K⁰ мезон [Архівовано 30 січня 2017 у Wayback Machine.]
5. Британська бабуся отримала ступінь доктора наук за відкриття, яке зробила у 22 роки. // Автор: Андрій Неволін. 23.07.2024
6. A new measurement of ℬ(K+ → π+νν¯) by the NA62 experiment. // Joel Swallow (INFN-LNF) on behalf of the NA62 collaboration. 24.09.2024
7. У CERN вперше виміряли рідкісний розпад каона, що може вказувати на нову фізику. // Автор: Олександра Іванова. 04.10.2024