Kaon

Kaon (mezon K) – najlżejsza cząstka o niezerowej dziwności, mezon K jest bozonem o spinie 0. Antycząstką kaonu jest antykaon.

Struktura kaonu plus. Składa się on z kwarka u i antykwarka s

Występują cztery rodzaje kaonów, izodublet zawierający kwark dziwny $s{:}$

$K^{-}={\bar {u}}s,$

${\bar {K}}^{0}={\bar {d}}s$

oraz izodublet zawierający kwark antydziwny ${\bar {s}}$

$K^{+}=u{\bar {s}},$

$K^{0}=d{\bar {s}}.$

Historia

Kaony zostały odkryte w roku 1947 przez Georga D. Rochestera i Clifforda Charlesa Butlera z Uniwersytetu w Manchesterze w promieniowaniu kosmicznym.

Kaony neutralne

Mieszanie $K^{0}$ i ${\bar {K}}^{0}$

Z punktu widzenia oddziaływań silnych, zachowujących dziwność $K^{0}$ oraz ${\bar {K}}^{0}$ są innymi cząstkami.

Mezon K⁰ występuje w dwóch odmianach: długożyjącej, oznaczanej jako K⁰_L (5,116±0,021)·10⁻⁸ s i krótkożyjącej K⁰_S (8,954±0,004)·10⁻¹¹ s, które można zapisać jako superpozycje cząstek $K^{0}$ oraz ${\bar {K}}^{0}{:}$

$\mathrm {K_{S}^{0}}$ = $\mathrm {\frac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}}$

$\mathrm {K_{L}^{0}}$ = $\mathrm {\frac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} ,$

lub

$|K_{S}^{0}\rangle =p|K^{0}\rangle +q|{\bar {K}}^{0}\rangle ,$

$|K_{L}^{0}\rangle =p|K^{0}\rangle -q|{\bar {K}}^{0}\rangle .$

Rozpady

K⁰_S rozpada się prawie wyłącznie na pary pionów:

• $K_{S}^{0}\to \pi ^{+}\pi ^{-}$ – 69,2%
• $K_{S}^{0}\to 2\pi ^{0}$ – 30,7%

Główne kanały rozpadu K⁰_L:

• $K_{L}^{0}\to \pi ^{\pm }e^{\mp }\nu _{e}$ – 40,5%
• $K_{L}^{0}\to \pi ^{\pm }\mu ^{\mp }\nu _{\mu }$ – 27,1%
• $K_{L}^{0}\to 3\pi ^{0}$ – 19,5%
• $K_{L}^{0}\to \pi ^{+}\pi ^{-}\pi ^{0}$ – 12,5%

Regeneracja kaonów K⁰_S

Po rozpadzie K⁰_S, wiązka K⁰ zawiera wyłącznie K⁰_L. Jeśli taka wiązka zostanie przepuszczona przez cienką warstwę materiału, za tą warstwą w składzie wiązki znów pojawią się K⁰_S. Jest to skutek różnych rodzajów oddziaływań K⁰ i K⁰ z materią. Proces nazywany jest regeneracją kaonów.

Złamanie symetrii CP

Rozpady tych dwóch cząstek łamią symetrię CP (zamiana cząstka-antycząstka + inwersja przestrzenna).

Kaony naładowane

$K^{+}=u{\bar {s}}$

$K^{-}={\bar {u}}s$

m = 493,677 ± 0,016 MeV/c²

τ = (1,2380 ± 0,0021) 10⁻⁸ s

Rozpady

Główne kanały rozpadu K⁺:

• $K^{+}\to \mu ^{+}\nu _{\mu }$ – 63,5%
• $K^{+}\to \pi ^{+}\pi ^{0}$ – 13,5%

Rozpady K⁻ są analogiczne.

Zagadka τ-θ

Początkowo były znane dwa dziwne dodatnio naładowane mezony, różniące się sposobem rozpadu:

1. $\theta ^{+}\to \pi ^{+}+\pi ^{0}$
2. $\tau ^{+}\to \pi ^{+}+\pi ^{+}+\pi ^{-}$

Stany końcowe tych reakcji miały różną parzystość. Ponieważ wcześniej przyjmowano, że parzystość jest zawsze zachowana, mezony τ i θ musiałyby być różnymi cząstkami. Precyzyjne pomiary masy i czasu życia nie pokazały jednak żadnej różnicy między nimi, wydawały się identyczne. Rozwiązaniem tej zagadki okazało się złamanie parzystości w oddziaływaniach słabych. Oba mezony oddziałują słabo, więc ta reakcja nie musi wbrew początkowym oczekiwaniom zachowywać parzystości. Oba rozpady mogą więc rozpoczynać się od tej samej cząstki, którą w rezultacie nazwano K⁺.