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K介子

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Kaon
组成

K+
: us
K0
: ds / sd

K
: su
玻色子
基本相互作用 强相互作用
符号 K+
, K0
, K
类型 3
质量 K±
: 493.667±0.013 MeV/c2
K0
: 497.648±0.022 MeV/c2
电荷 K±
: ±e
K0
: 0
自旋 0

粒子物理学中,K介子(Kaon,标记为K[注 1]))是带有奇异数这一量子数的四种介子的任一种。在夸克模型中,我们知道它们含有一个奇夸克(或其反夸克),及一个下夸克的反夸克(或其夸克)。

自从它们在1947年被发现之后,K介子为基础相互作用的性质提供了大量的资料。在建立粒子物理学标准模型基础的过程中,它们有着不可或缺的角色,例如强子夸克模型及夸克混合的理论(后者于2008年被诺贝尔物理学奖肯定)。在人类对基础守恒定律的了解中,K介子也有着杰出的贡献:CP破坏(一种造成大家所见的宇宙物质-反物质失衡的现象)的发现在1980年被诺贝尔物理学奖肯定,这种现象就是在K介子系统被发现的。

基本特性

图为一K介子(K+)变成三个π介子(2 π+, 1 π−)的衰变,这过程涉及了弱与强相互作用。弱相互作用:K介子内的奇夸克(s)衰变成一反上夸克(u),并发射一W+玻色子;随后W+玻色子衰变成一反下夸克(d)及一上夸克(u)。强相互作用:一上夸克(u)发射出一胶子(g),该胶子随后衰变成一下夸克(d)及一反下夸克(d)。
图为一K介子(K+
)变成三个π介子(2 π+
, 1 π
)的衰变,这过程涉及了强相互作用

弱相互作用:K介子内的奇夸克s)衰变成一反上夸克u),并发射一W+
玻色子
;随后W+
玻色子衰变成一反下夸克d)及一上夸克u)。

强相互作用:一上夸克(u)发射出一胶子g),该胶子随后衰变成一下夸克(d)及一反下夸克(d)。

四种K介子分别为:

  1. 带负电的K
    (含有一个奇夸克及一个反上夸克),质量为493.667±0.013 MeV平均寿命(1.2384±0.0024)×10−8 s
  2. 反粒子,带正电的K+
    (含有一个上夸克及一个反奇夸克)的质量及寿命必须等同于K
    (由于CPT对称的关系)。两者质量差为0.032±0.090 MeV,跟零一致。而寿命差则为(0.11±0.09)×10−8 s
  3. 中性(不带电荷)的K0
    (含有一个下夸克及一个反奇夸克),其质量为497.648±0.022 MeV。其均方电荷半径为−0.076±0.01 fm2
  4. K0
    的反粒子为K0
    (含有一个奇夸克及一个反下夸克),两者质量一致。

夸克模型分配可轻易看出,K介子组成两组同位旋双重态;也就是说它们属于SU(2)基础表示的2。奇异数为+1的一组包括K+
K0
。而它们的反粒子组成另一组双重态(奇异数为-1)。

K介子特性
粒子名称 粒子符号 反粒子符号 内含夸克 静止质量 (MeV/c2) I JPC S C B' 平均寿命 (s) 一般衰变产物

(>所有衰变的5%)

K介子[1] K+

K

u s 493.677±0.016 12 0 1 0 0 (1.2380±0.0021)×10−8 μ+
+ ν
μ
or

π+
+ π0

π+
+ π+
+ π
or

π0
+ e+
+ ν
e

K介子[2] K0

K0

d s 497.614±0.024 12 0 1 0 0 [a] [a]
短命K[3] K0
S

自身 [b] 497.614±0.024[c] 12 0 [d] 0 0 (8.953±0.005)×10−11 π+
+ π
or

π0
+ π0

长命K[4] K0
L

自身 [b] 497.614±0.024[c] 12 0 [d] 0 0 (5.116±0.020)×10−8 π±
+ e
+ ν
e
or

π±
+ μ
+ ν
μ
or

π0
+ π0
+ π0
or

π+
+ π0
+ π

[a] ^ 本征态。没有确切的寿命。
[b] ^ 本征态。构成内没有小ε的CP破坏项。
[c] ^ K0
L
K0
S
的质量于上表上与K0
无异。然而,已知K0
L
K0
S
的质量有异,差异的大小尺度为3.5×10−12 MeV/c2[4]
[d] ^ 由于中性粒子混合的关系,所以K0
L
K0
S
并非奇异数的本征态。

衰变

中性K介子

尽管K0
及其反粒子K0
经由强相互作用产生,但是它们经由弱相互作用衰变。因此,在诞生后它们较适合被视为两个有着相当不同寿命的弱本征态

  1. 长命的K介子被称为K
    L
    (K-long,长命K),主要衰变成三个π介子,其平均寿命为5.18×10−8 s
  2. 短命的K介子被称为K
    S
    (K-short,短命K),主要衰变成两个π介子,其平均寿命为8.958×10−11 s

(见下文的中性K介子混合

虽然其他中性的介子也有近似的混合情况,但是只有K介子的两种弱本征态被视为两种粒子,因为它们两者的寿命差异实在很大[5]

1964年一实验发现长命K很少会衰变成两个π介子,这正是发现CP破坏的关键之一(见下文)。

带电荷K介子

K+
的主要衰变模式为:

产物 模式 分支比
μ+
ν
μ
轻子 63.43±0.17%
π+
π0
重子 21.13±0.14%
π+
π+
π
重子 5.576±0.031%
π+
π0
π0
重子 1.73±0.04%
π0
e+
ν
e
半轻子 4.87±0.06%

奇异数

内量子数“奇异数”的发现,标志着粒子物理学最令人振奋的时代的开端,即使在五十年后的今天看来,这个时代仍没有到达终点……总的来说,实验推动着整个发展,而大发现的到来往往都是出人意表,甚至违反了理论学者所想的预期。
—— 《CP破坏》,I·I·比吉与三田一郎著,《ISBN 0-521-44349-0

在1947年,曼彻斯特大学G·D·罗彻斯特英语George Rochester克里福德·查理斯·巴特勒英语Clifford Charles Butler发表了两辐宇宙线引发反应的云室照片,一辐看起来是一中性粒子衰变成两个带电荷的π介子,另一辐看起来是一带荷的粒子衰变成一带电荷的π介子及一些中性的东西。新粒子的质量估算相当粗略,约为质子质量的一半。之后这种“V粒子”的个案就慢慢地涌现。

加州理工学院取得最早的突破,他们为了得到更佳的宇宙线接收,而把云室运上了威尔逊山。在1950年,他们报告了30个带电荷及4个中性的V粒子。受这个所启发,往后几年的很多观测都在山顶上进行,而1953年之前,所用的词汇如下:“L介子”指的是μ子π介子。“K介子”指的是质量介乎π介子及核子间的粒子;而“超子”指的质量比核子大的粒子。

K介子与超子的衰变非常慢;一般大小尺度为10−10 s。然而,在π介子质子反应所生产出的这些粒子的衰变则要快得多,时间大小尺度为10−23 s。这个不协调问题由亚伯拉罕·派斯所解决,他设定了一个新的量子数的叫奇异数,在强相互作用下守恒,但在弱相互作用下则不守恒。由于奇夸克及其反粒子一起的“相伴产生”,所以出现很大量的奇异粒子。奇异数很快就被指出它不是一个乘法量子数,因为如果是的话,奇异数会允许一些未被当时新的同步加速器所观测到的反应;布鲁克哈芬国家实验室在1953年,劳伦斯伯克利国家实验室在1955年被委托制作同步加速器。

宇称不守恒

带电荷的奇介子有两种衰变模式:

Θ+
π+
+ π0
τ+
π+
+ π+
+ π

由于两种衰变的终态具有不同的宇称,所以科学家们认为两种初态应该为不同种类的粒子,因此是两种有区别的粒子。但是,在愈来愈准确的测量下,都没有发现两者之间的质量与寿命有什么差别,由此显示它们是同一种粒子。这个问题被称为τ-Θ问题。直到发现弱相互作用宇称不守恒才被解决。由于介子通过弱相互作用衰变,宇称并不需要守恒,因此两种衰变可能由同一种粒子引起,也就是现在的K+

中性介子振荡中的CP破坏

尽管宇称不守恒,电荷-宇称对称在一开始时是被认为是守恒的。要明白CP破坏的发现,就必须明白中性K介子的混合;这个现象的发生并不需要CP破坏,但是就是在这个背景下第一次测量到CP破坏。

中性K介子混合

两种不同的中性K介子,有着不同的奇异数,但就可以通过弱相互作用来互相变换,这是因为弱相互作作用并不守恒奇异数。K0内的奇夸克变成一下夸克,接着放射出两个相反电荷的W玻色子。K0内的反下夸克则通过吸收W玻色子而变成一奇夸克。
两种不同的中性K介子,有着不同的奇异数,但就可以通过弱相互作用来互相变换,这是因为弱相互作作用并不守恒奇异数。K0
内的奇夸克变成一下夸克,接着放射出两个相反电荷的W玻色子K0
内的反下夸克则通过吸收W玻色子而变成一奇夸克。

由于中性K介子带有奇异数,它们不能互为对方的反粒子。所以一定有两种不同的K介子,两者奇异数的差为两个单位。问题是如何得知这两种介子的存在。而答案用到一种现象叫中性粒子振荡,在这种现象中两种介子会通过弱相互作用互相变换,过种中弱相互作用会导致它们衰变成π介子(见右图)。

这些振荡最早由默里·盖尔曼亚伯拉罕·派斯共同研究。他们研究过相反奇异数态在CP不变下随时间的演化。用矩阵形式写法如下

其中ψ为系统的量子态,由两个基态(在时间t=0时为a及b)的波辐共同决定。哈密顿矩阵对角线上的元(M)是守恒奇异数的强相互作用物理所引起的后果。两个对角线元必须相等,因为在没有弱相互作用的情况下,粒子与其反粒子的质量相等。不在对角线上的元(Δ),负责混合相反的奇异粒子,它们是由弱相互作用所引起的;CP对称要求它们全部都是实数。

矩阵H为实数的后果是,这两种态的概率会永恒地来回振荡。然而,假若矩阵的任何部分为虚数,就像CP对称所禁止的那样,那么整个组合的一部分会随时间而缩减。缩减的部分可以是一个分量(a)或另一个(b),或是两者的混合。

混合

把矩阵对角化后可得本征态。这样会产生新的本征矢量,我们可以把它叫做K1,它是两相反奇异数态的总和,而K2则是两态间的差。K1K2CP的本征态,两者有着相反的本征量;K1CP为+1,而K2则为-1。由于二π介子系统的CP也是+1,所以K1可以这样衰变。而K2则必须衰变成三个π介子。由于K2的质量只比三个π介子加起来大一点点,所以衰变过程非常缓慢,大概比K1衰变成两个π介子慢600倍。这两种不同的衰变模式由利昂·莱德曼及其同事于1956年观测到,并确立了中性K介子两个弱本徴态(在弱相互作用下,有着特定衰变寿命的态)的存在。

这两个弱本征态被称为K
L
(长命K)及K
S
(短命K)。在假定CP对称的情况下,K
S
=K1K
L
=K2

振荡

一初态为K0
的粒子束,会在传播时变成自己的反粒子,而反粒子又会变回原来的粒子,如此类推。这就是粒子振荡。在观测弱相互作用衰变成轻子时,发现K0
总是衰变成电子,而反粒子K0
则总是衰变成正电子。前文的分析提到纯K0
及反粒子K0
的粒子源,与电子与正电子生产率的关系。分析这种半轻子衰变的时间演化,可以发现有振荡现象,并且能够得悉K
S
K
L
间的质谱分裂。由于这是由弱相互作用引起的,质谱分裂非常小,约为每一态质量的10−15倍。

再生

一束中性K介子在飞行中衰变,因此短命的K
S
就此消失,剩下一束纯K
L
。假设这束粒子被射进物质里,那么K0
及其反粒子K0
就会与原子核有着不同的相互作用。K0
与核子产生准弹性散射,而反粒子K0
则有可能产生超子。由于两个部分与核子有着不同的相互作用,两粒子间失去了原有的量子同调。 不久之后,罗伯特·艾德尔与同事们报告K
S
的再生比预期多,就此开启了历史的新篇章。

CP破坏

在核实艾德尔的结果时,布鲁克海文国家实验室詹姆斯·克罗宁瓦尔·菲奇于1964年发现K
L
衰变成两个π介子(CP=+1)。根据前文的解释,要上述衰变成立,就必须假设初态及终态的CP值不一样,因此他们马上提出了CP破坏。其他解释,例如非线性量子物理及未被观测到的新粒子,在不久后就被排除,剩下的CP破坏就是唯一的可能性。克罗宁与菲奇因这个发现而于1980年了荣获诺贝尔物理学奖

事实上,尽管K
L
K
S
本征态(因为它们有各自不变的衰变平均寿命,而衰变就是由弱相互作用所引起的),但是它们并不太是CP本征态。取而代之的是,在ε很小的情况下(在一个重整化以内),

K
L
= K2 + εK1

K
S
也是相近的情况。因此有些时候K
L
衰变时CP=+1,而同样地K
S
可以有CP=-1的衰变。这就是间接CP破坏,由K0
及其反粒子混合所造成的CP破坏。同时有一种直接CP破坏,也就是在衰变过程当中的P破坏。因为混合与衰变都是由W玻色子的同一种相互作用所造成,所以存在两种CP破坏,也是因为这样才会有CKM矩阵所预测的CP破坏。

另见

注释及参考来源

注释
  1. ^ 带正电的K介子从前被分开叫做τ+及θ+,因为直至1960年代前K+一直被视为两种粒子。见上面的宇称不守恒
资料来源
  1. ^ C. Amsler et al. (2008): Particle listings – K±
  2. ^ C. Amsler et al. (2008): Particle listings – K0
  3. ^ C. Amsler et al. (2008): Particle listings – K0
    S
  4. ^ 4.0 4.1 C. Amsler et al. (2008): Particle listings – K0
    L
  5. ^ J.W. Cronin. CP Symmetry Violation – The Search for its origin (PDF). Nobel Lecture. The Nobel Foundation. 1980. 

参考文献

S. Eidelman et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics. Physics Letters B. 2004, 592 (1): 1. Bibcode:2004PhLB..592....1P. arXiv:astro-ph/0406663. doi:10.1016/j.physletb.2004.06.001. 
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K介子
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