Kaon (részecske)

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
A JPC = 0−+ mezonnonett.
A JPC = 0−+ mezonnonett.
A JPC = 1−− mezonnonett.
A JPC = 1−− mezonnonett.

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

A kaonok felfedezése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

V-részecskék[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Patrick Blackett manchesteri csoportjának tagjaiként 1946–47-ben Clifford Charles Butler és George Rochester kozmikus sugárzás hatását vizsgálták ólomtömb céltárgyra ejtve. A keletkező részecskékekt 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 mégegyet, 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. Különösságük 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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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]

\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:[5]

K^Q_{\nu\xi} (például a fenti két részecske: K^0_{2\pi} 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.[6]

A kaonok ritkasága és izospinje[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 töltésjellegú 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]

 \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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A semleges K-mezon és antirészecskéke egyaránt tud bomlani mindkét kétpionos végállapotra, ezért Enrico Fermi kérdezte, hogyan lehet őket megkülönböztetni.[10]

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]

|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 sajátállapotrai, ezek rendelkeznek a gyenge bomlásban határozott élettartammal. A KS élettartama ~10−10s (S: short „rövid”) a KL-é ~10−8s (L: long „hosszú”).

Alapvető tulajdonságaik[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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
\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

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • 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