Kaon (részecske)

A J^PC = 0⁻⁺ mezonnonett.

A J^PC = 0⁻⁺ mezonnonett.

A J^PC = 1⁻⁻ mezonnonett.

A J^PC = 1⁻⁻ mezonnonett.

A részecskefizikában a kaon az összefoglaló neve négy mezonnak, a két töltött és két semleges K-mezonnak: K⁺, K⁻, K_S és K_L. Utóbbi kettő a határozott tömegállapotban levő két semleges K-mezon.

A kaonok felfedezése

V-részecskék

Patrick Blackett manchesteri csoportjának tagjaiként 1946–47-ben Clifford Charles Butler és George Rochester kozmikus sugárzás hatását vizsgálták ólomtömb céltárgyra ejtve. A keletkező részecskéket mágneses térbe helyezett ködkamrával figyelték meg. 1946. október 15-én egy különös fordított V alakú nyomot láttak, amelyet egy semleges részecskének két töltött részecskére való bomlásaként interpretáltak. 1947 májusában láttak még egyet, amelyik viszont egy töltött részecske bomlásának tűnt. A két fényképet 1947-ben publikálták. A berendezést ezután áthelyezték Manchesterből a francia Pireneusokba, a Pic du Midi-in levő obszervatóriumba, hogy növeljék a kozmikus sugárzás intenzitását. Végül az újfajta különös részecskéknek két csoportját sikerült elkülöníteni. Később kapott nevükön az egyiket a kaonok vagy K-mezonok, a másikat a hiperonok alkották. Különösségük abban állt, hogy a magfizikai időskálán szokatlanul hosszú élettartamúak voltak, ezért szabad szemmel látható hosszúságú repülés után bomlottak csak el. Élettartamuk 10⁻¹⁰ nagyságrendű volt, miközben keltési gyakoriságuk alapján ezt 10⁻²³ nagyságrendűnek várták volna.

A τ–Θ-probléma, paritássértés

Az eddig megtalált két új mezon kezdetben a Θ⁰ és τ⁺ nevet viselte. Utóbbi nem tévesztendő össze a mai τ-lepton nevével. A megfigyelt bomlási módjuk a következő volt:

$\Theta ^{0}\to \pi ^{+}\pi ^{-}$

$\tau ^{+}\to \mu ^{+}+\nu _{\mu }$

Hamarosan számos új részecskét és bomlási módot fedeztek fel, s az új mezonok sora már így nézett ki: τ⁺, τ'⁺, κ⁺, θ⁰, χ⁺. 1953 júliusában a franciaországi Bagneres-de-Bigorre-ban tartott nemzetközi kozmikus sugárzási konferencián elhatározták, hogy valamennyit K-mezonnak fogják hívni és nevükben jelölni fogják a töltésüket, és bomlási módjukat a következő formában:

$K_{\nu \xi }^{Q}$ (például a fenti két részecske: $K_{2\pi }^{0}$ és $K_{\mu \nu }^{+}$ )

ahol Q az elektromos töltésszám, ν a bomlástermékek száma, ξ pedig a típusa. Ennyi új részecske sem volt azonban. A τ⁺ és Θ⁺ csak annyiban különböztek egymástól, hogy az előbbi bomlástermékeinek (-1)(-1)^J volt a paritása, míg az utóbbiénak (-1)^J, ahol J a bomló részecske spinje. Két megoldás lehetséges. Vagy a két részecske paritása különböző, vagy a paritás nem marad meg ezen bomlás során. Az utóbbi sokak számára elképzelhetetlen volt, ellenkezett a klasszikus fizika tapasztalatával, de végül Lee és Yang 1956-ban ezt a megoldást javasolták, 1957-ben pedig Wu a kobalt magok bomlása során explicit módon be is bizonyította a paritássértést. A τ⁺ és Θ⁺ részecske tehát ugyanannak a részecskének, az ezentúl K⁺-nak nevezett részecskének bizonyult.

A kaonok ritkasága és izospinje

1952-től a kozmikus sugárzás mellett majd helyett szinkrotronokkal vizsgálták az új részecskék keletkezését, az első ilyen részecskegyorsítók a Brookhaveni Nemzeti Laboratórium Cosmotronja és a Berkely Bevatronja voltak. Abraham Pais 1952-ben megjósolta a ritkaságot, egy új töltésjellegű mennyiséget, amely az erős kölcsönhatásban megmarad, de sérül a gyenge kölcsönhatásban. Ez magyarázta az új részecskék különös viselkedését, nagy keltési, de kicsi bomlási hatáskeresztmetszetét. Az erős kölcsönhatásban keletkeztek párban, de azután bomlani csak gyenge kölcsönhatással tudtak.

Keltési tulajdonságaik alapján a kaonokat két izodublettbe lehetett besorolni:

${\begin{pmatrix}K^{+}\\K^{0}\end{pmatrix}}$ és ${\begin{pmatrix}{\overline {K}}^{0}\\K^{-}\end{pmatrix}}$

A keltési módjaikból:

$\pi ^{+}+n\rightarrow \Lambda ^{0}+K^{+}$

$\pi ^{-}+p\rightarrow \Lambda ^{0}+K^{0}$

ahol az erős kölcsönhatás miatt az izospin megmarad, világos, hogy a K-mezonok izospinje nem lehet egész., mivel a Λ barion izoszingulett.

A megfigyelhető semleges kaonok és a CP-szimmetria

A semleges K-mezon és antirészecskéje egyaránt tud bomlani mindkét kétpionos végállapotra, ezért Enrico Fermi kérdezte, hogyan lehet őket megkülönböztetni.

$K^{0}\rightarrow \pi ^{0}\pi ^{0},{\overline {K}}^{0}\rightarrow \pi ^{0}\pi ^{0},K^{0}\rightarrow \pi ^{+}\pi ^{-},{\overline {K}}^{0}\rightarrow \pi ^{+}\pi ^{-}$

Pais és Gell-Mann álltak elő az ötlettel, hogy a két semleges K-mezon keveredik:

$|K_{S}\rangle ={\frac {|K^{0}\rangle +|{\overline {K}}^{0}\rangle }{\sqrt {2}}},|K_{L}\rangle ={\frac {|K^{0}\rangle -|{\overline {K}}^{0}\rangle }{\sqrt {2}}}$

Ezek a CP-tükrözés sajátállapotai +1 illetve −1 sajátértékkel, és mint kiderült, a gyenge kölcsönhatásnak ezek a sajátállapotai, ezek rendelkeznek a gyenge bomlásban határozott élettartammal. A K_S élettartama ~10⁻¹⁰s (S: short „rövid”) a K_L-é ~10⁻⁸s (L: long „hosszú”).

Alapvető tulajdonságaik

Részecske	Jel	Anti- részecske	Kvark összetétel	I (JP) N2S+1LJ	Nyugalmi tömeg MeV/c²	S	C	B	T	közepes élettartam τ(s) / (cτ)	teljes szélesség (MeV)	bomlási mód	elágazási arány
töltött kaon	$\mathrm {K^{+}}$	$\mathrm {K^{-}}$	$\mathrm {u{\bar {s}}}$	½ (0−) 11S0	493.7	+1	0	0	0	1.238×10−8 (3.712 m)		$\mu ^{+}{\overline {\nu }}_{\mu }$ $\pi ^{+}\pi ^{0}$ $\pi ^{+}\pi ^{+}\pi ^{-}$ $\pi ^{0}e^{+}{\overline {\nu }}_{e}$ $\pi ^{0}\mu ^{+}{\overline {\nu }}_{\mu }$ $\pi ^{+}\pi ^{0}\pi ^{0}$	0.6355 0.2066 0.0559 0.0507 0.0335 0.0176
semleges kaon	$\mathrm {K^{0}}$	$\mathrm {{\overline {K}}^{0}}$	$\mathrm {d{\bar {s}}}$	½ (0−) 11S0	497.6	+1	0	0	0	–		ld. KS és KL
semleges kaon	$\mathrm {{\overline {K}}^{0}}$	$\mathrm {K^{0}}$	$\mathrm {{\bar {d}}s}$	½ (0−) 11S0	497.6	−1	0	0	0	–		ld. KS és KL
töltött kaon	$\mathrm {K^{-}}$	$\mathrm {K^{+}}$	$\mathrm {{\bar {u}}s}$	½ (0−) 11S0	493.7	−1	0	0	0	1.238×10−8 (3.712 m)		$\mu ^{-}\nu _{\mu }$ $\pi ^{-}\pi ^{0}$ $\pi ^{-}\pi ^{+}\pi ^{-}$ $\pi ^{0}e^{-}\nu _{e}$ $\pi ^{0}\mu ^{-}\nu _{\mu }$ $\pi ^{-}\pi ^{0}\pi ^{0}$	0.6355 0.2066 0.0559 0.0507 0.0335 0.0176
K-short	$\mathrm {K_{S}}$	–	${\frac {\mathrm {d{\bar {s}}} +\mathrm {{\bar {d}}s} }{\sqrt {2}}}$	½ (0−) 11S0	497.6	–	0	0	0	0.895×10−10 (2.68 cm)		$\pi ^{+}\pi ^{-}$ $\pi ^{0}\pi ^{0}$	0.692 0.307
K-long	$\mathrm {K_{L}}$	–	${\frac {\mathrm {d{\bar {s}}} -\mathrm {{\bar {d}}s} }{\sqrt {2}}}$	½ (0−) 11S0	497.6	–	0	0	0	5.12×10−8 (15.34 m)		$\pi ^{\pm }e^{\mp }\nu _{e}$ $\pi ^{\pm }\mu ^{\mp }\nu _{\mu }$ $\pi ^{+}\pi ^{-}\pi ^{0}$ $\pi ^{0}\pi ^{0}\pi ^{0}$	0.406 0.270 0.195 0.125
K*(892)	$\mathrm {K^{*+}(892)}$	$\mathrm {K^{*-}(892)}$	$\mathrm {u{\bar {s}}}$	½ (1−) 1³S1	891.7	+1	0	0	0		51	$K\pi$	~1
K*(892)	$\mathrm {K^{*0}(892)}$	$\mathrm {{\overline {K}}^{*0}(892)}$	$\mathrm {d{\bar {s}}}$	½ (1−) 1³S1	895.2	+1	0	0	0		47.4	$K\pi$	~1
K*(892)	$\mathrm {{\overline {K}}^{*0}(892)}$	$\mathrm {K^{*0}(892)}$	$\mathrm {{\bar {d}}s}$	½ (1−) 1³S1	895.2	−1	0	0	0		47.4	$K\pi$	~1
K*(892)	$\mathrm {K^{*-}(892)}$	$\mathrm {K^{*+}(892)}$	$\mathrm {{\bar {u}}s}$	½ (1−) 1³S1	891.7	−1	0	0	0		51	$K\pi$	~1

Források

• ↑ Courier Butler: Obituaries – Clifford Charles Butler 1922-1999. cerncourier.com (1999. augusztus 31.)
• ↑ Conover Discovery Kaons: Emily Conover: The Discovery of the Kaons. hep.uchicago.edu
• ↑ Nature Rochester–Butler: Dr. G. D. Rochester – Dr. C. C. Butler: Evidence for the existence of new unstable elementary particles. Nature, 160 k. (1947) 855–857. o.
• ↑ PDG 2013 Table of strange mesons: J. Beringer et al. (Particle Data Group): (cím nélkül) . Phsycal Review D, 86 k. (2012)

További információk

• ↑ Fizikai kislexikon: szerk.: Dr. Szilágyi Miklós: Fizikai Kislexikon. Műszaki Könyvkiadó. 963 10 1695 1 (1977) 
• ↑ Modern fizikai kisenciklopédia: szerk.: Fényes Imre: Modern fizikai kisenciklopédia. Gondolat (1971) 
• ↑ Kaons gsu.edu: Kaons. hyperphysics.phy-astr.gsu.edu