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-мезоны-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-мезоны-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<
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
Табл. 2.— Основные способы распада K 0S и K 0L
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
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-мезоны-м., странность не сохраняется, оказываются возможными взаимные превращения K 0 Û . Наличие таких переходов между частицей и античастицей, имеющими разные значения одного из квантовых чисел, характеризующих элементарные частицы, обусловливает специфические, уникальные свойства нейтральных К-мезоны-м. Для любых других частиц существование подобных переходовзапрещено строгими законами сохранения электрического или барионного заряда (а также, по-видимому, и лептонного заряда для переходов нейтрино — антинейтрино).
В вакууме благодаря переходам K 0 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 K 0L- и короткоживущему K 0S -meзонам. Разность масс K 0S и K 0L обусловлена слабым взаимодействием, вызывающим переходы K 0 Û , и весьма мала. Время жизни и способы распада K 0S и K 0L 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 K 0L и K 0S . Состояния K 0L и K 0S близки к суперпозициям состояний, которые называют K 01 и K 02:
K 0s » K 01 = ,
K 0L » K 02 = ,
т. е. K 0L и K 0S приблизительно на 50% «состоят» из К0 и на 50% — из . Аналогичным образом можно утверждать, что К0 и приблизительно на 50% «состоят» из K 0S и на 50% — из K 0L тот факт, что состояния К0 и представляют суперпозицию двух состояний K 0L и K 0S 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 K 0S -meзонов при прохождении через вещество долгоживущих K 0L-meзонов: на достаточно больших расстояниях от места образования пучка К0 (или ) пучок состоит практически только из долгоживущих K 0L, т.к. короткоживущие K 0S распадаются раньше. Поэтому на таких расстояниях наблюдаются лишь распады, характерные для K 0L (). Казалось бы, K 0S не могут вновь появиться в пучке. Однако если пучок K 0L пропустить через слой вещества, то из-за различия во взаимодействиях с веществом К0 и , составляющих K 0L, изменяется относительный состав пучка и в пучке K 0L появляется добавка K 0S с характерными для K 0S распадами.
Комбинации K 01 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 K 01, остаётся неизменной, а волновая функция К02 меняет знак. Поэтому состояние K 01 может распадаться на 2p (систему, обладающую теми же свойствами относительно операции СР, что и K 01), a K 02 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 K 0L и K 0S отождествлялись с K 01 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 K 0L и K 0S от K 01 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-мезоны, Фаулер Э. К-мезоны, Странные частицы, пер. с англ., М., 1966.
С. С. Герштейн.
W -+К++К0, в которой сохраняется странность. Распады образовавшихся частиц происходят в результате слабого взаимодействия с изменением странности на 1: К0®p++p- (в точке 2); W -®L0+К- (в точке 3); L0®p+p- (в точке 4); К-®p++p-+p- (в точке 5). Треки частиц искривлены, так как камера находится в магнитном поле. Пунктиром обозначены треки нейтральных частиц, не оставляющие следа в камере." href="/a_pictures/19/23/281389352.jpg">W -+К++К0, в которой сохраняется странность. Распады образовавшихся частиц происходят в результате слабого взаимодействия с изменением странности на 1: К0®p++p- (в точке 2); W -®L0+К- (в точке 3); L0®p+p- (в точке 4); К-®p++p-+p- (в точке 5). Треки частиц искривлены, так как камера находится в магнитном поле. Пунктиром обозначены треки нейтральных частиц, не оставляющие следа в камере."http://hydrogen.atomistry.com/">водородной пузырьковой камере, иллюстрирующее процессы сильного и слабого взаимодействий К-мезонов. В точке 1 за счёт сильного взаимодействия происходит реакция К-+p®W -+К++К0, в которой сохраняется странность. Распады образовавшихся частиц происходят в результате слабого взаимодействия с изменением странности на 1: К0®p++p- (в точке 2); W -®L0+К- (в точке 3); L0®p+p- (в точке 4); К-®p++p-+p- (в точке 5). Треки частиц искривлены, так как камера находится в магнитном поле. Пунктиром обозначены треки нейтральных частиц, не оставляющие следа в камере." src="a_pictures/19/23/th_281389352.jpg">
Схематическое изображение фотографии, полученной в водородной пузырьковой камере, иллюстрирующее процессы сильного и слабого взаимодействий К-мезонов. В точке 1 за счёт сильного взаимодействия происходит реакция К-+p®W -+К++К0, в которой сохраняется странность. Распады образовавшихся частиц происходят в результате слабого взаимодействия с изменением странности на 1: К0®p++p- (в точке 2); W -®L0+К- (в точке 3); L0®p+p- (в точке 4); К-®p++p-+p- (в точке 5). Треки частиц искривлены, так как камера находится в магнитном поле. Пунктиром обозначены треки нейтральных частиц, не оставляющие следа в камере.