Kaon (részecske)

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 J^PC = 0⁻⁺ mezonnonett.

A J^PC = 0⁻⁺ mezonnonett.

A J^PC = 1⁻⁻ mezonnonett.

A J^PC = 1⁻⁻ mezonnonett.

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.^[1] A két fényképet 1947-ben publikálták.^[2] 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.^[1] Élettartamuk 10⁻¹⁰ nagyságrendű volt, miközben keltési gyakoriságuk alapján ezt 10⁻²³ nagyságrendűnek várták volna.^[3]

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:^[4]

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

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

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:^[5]

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

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.^[6]

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.^[7] 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.^[8]

Keltési tulajdonságaik alapján a kaonokat két izodublettbe lehetett besorolni:^[9]

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

A keltési módjaikból:

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

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

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.^[10]

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

Pais és Gell-Mann álltak elő az ötlettel, hogy a két semleges K-mezon keveredik:^[11]

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

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[12]	S	C	B	T	közepes élettartam τ(s) / (cτ)	teljes szélesség (MeV)	bomlási mód	elágazási arány[12]
töltött kaon	${\displaystyle \mathrm {K^{+}} }$	${\displaystyle \mathrm {K^{-}} }$	${\displaystyle \mathrm {u{\bar {s}}} }$	½ (0−) 11S0	493.7	+1	0	0	0	1.238×10−8 (3.712 m)		${\displaystyle \mu ^{+}{\overline {\nu }}_{\mu }}$ ${\displaystyle \pi ^{+}\pi ^{0}}$ ${\displaystyle \pi ^{+}\pi ^{+}\pi ^{-}}$ ${\displaystyle \pi ^{0}e^{+}{\overline {\nu }}_{e}}$ ${\displaystyle \pi ^{0}\mu ^{+}{\overline {\nu }}_{\mu }}$ ${\displaystyle \pi ^{+}\pi ^{0}\pi ^{0}}$	0.6355 0.2066 0.0559 0.0507 0.0335 0.0176
semleges kaon	${\displaystyle \mathrm {K^{0}} }$	${\displaystyle \mathrm {{\overline {K}}^{0}} }$	${\displaystyle \mathrm {d{\bar {s}}} }$	½ (0−) 11S0	497.6	+1	0	0	0	–		ld. KS és KL
semleges kaon	${\displaystyle \mathrm {{\overline {K}}^{0}} }$	${\displaystyle \mathrm {K^{0}} }$	${\displaystyle \mathrm {{\bar {d}}s} }$	½ (0−) 11S0	497.6	−1	0	0	0	–		ld. KS és KL
töltött kaon	${\displaystyle \mathrm {K^{-}} }$	${\displaystyle \mathrm {K^{+}} }$	${\displaystyle \mathrm {{\bar {u}}s} }$	½ (0−) 11S0	493.7	−1	0	0	0	1.238×10−8 (3.712 m)		${\displaystyle \mu ^{-}\nu _{\mu }}$ ${\displaystyle \pi ^{-}\pi ^{0}}$ ${\displaystyle \pi ^{-}\pi ^{+}\pi ^{-}}$ ${\displaystyle \pi ^{0}e^{-}\nu _{e}}$ ${\displaystyle \pi ^{0}\mu ^{-}\nu _{\mu }}$ ${\displaystyle \pi ^{-}\pi ^{0}\pi ^{0}}$	0.6355 0.2066 0.0559 0.0507 0.0335 0.0176
K-short	${\displaystyle \mathrm {K_{S}} }$	–	${\displaystyle {\frac {\mathrm {d{\bar {s}}} +\mathrm {{\bar {d}}s} }{\sqrt {2}}}}$	½ (0−) 11S0	497.6	–	0	0	0	0.895×10−10 (2.68 cm)		${\displaystyle \pi ^{+}\pi ^{-}}$ ${\displaystyle \pi ^{0}\pi ^{0}}$	0.692 0.307
K-long	${\displaystyle \mathrm {K_{L}} }$	–	${\displaystyle {\frac {\mathrm {d{\bar {s}}} -\mathrm {{\bar {d}}s} }{\sqrt {2}}}}$	½ (0−) 11S0	497.6	–	0	0	0	5.12×10−8 (15.34 m)		${\displaystyle \pi ^{\pm }e^{\mp }\nu _{e}}$ ${\displaystyle \pi ^{\pm }\mu ^{\mp }\nu _{\mu }}$ ${\displaystyle \pi ^{+}\pi ^{-}\pi ^{0}}$ ${\displaystyle \pi ^{0}\pi ^{0}\pi ^{0}}$	0.406 0.270 0.195 0.125
K*(892)	${\displaystyle \mathrm {K^{*+}(892)} }$	${\displaystyle \mathrm {K^{*-}(892)} }$	${\displaystyle \mathrm {u{\bar {s}}} }$	½ (1−) 1³S1	891.7	+1	0	0	0		51	${\displaystyle K\pi }$	~1
K*(892)	${\displaystyle \mathrm {K^{*0}(892)} }$	${\displaystyle \mathrm {{\overline {K}}^{*0}(892)} }$	${\displaystyle \mathrm {d{\bar {s}}} }$	½ (1−) 1³S1	895.2	+1	0	0	0		47.4	${\displaystyle K\pi }$	~1
K*(892)	${\displaystyle \mathrm {{\overline {K}}^{*0}(892)} }$	${\displaystyle \mathrm {K^{*0}(892)} }$	${\displaystyle \mathrm {{\bar {d}}s} }$	½ (1−) 1³S1	895.2	−1	0	0	0		47.4	${\displaystyle K\pi }$	~1
K*(892)	${\displaystyle \mathrm {K^{*-}(892)} }$	${\displaystyle \mathrm {K^{*+}(892)} }$	${\displaystyle \mathrm {{\bar {u}}s} }$	½ (1−) 1³S1	891.7	−1	0	0	0		51	${\displaystyle K\pi }$	~1