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

Jegyzetek

1. Courier Butler
2. Nature Rochester–Butler
3. Nature Rochester–Butler 10. o.
4. Conover Discovery Kaons 4. o.
5. Conover Discovery Kaons 7. o.
6. Conover Discovery Kaons 8. o.
7. Nature Rochester–Butler 7. o.
8. Nature Rochester–Butler 10. o.
9. Nature Rochester–Butler 9. o.
10. Conover Discovery Kaons 11. o.
11. Conover Discovery Kaons 11. o.
12. PDG 2013 Table of strange mesons

Források

• ↑ Courier Butler: Obituaries – Clifford Charles Butler 1922-1999. cerncourier.com (1999. augusztus 31.)
• ↑ Conover Discovery Kaons: Emily Conover: The Discovery of the Kaons. hep.uchicago.edu
• ↑ Nature Rochester–Butler: Dr. G. D. Rochester – Dr. C. C. Butler: Evidence for the existence of new unstable elementary particles. Nature, 160 k. (1947) 855–857. o.
• ↑ PDG 2013 Table of strange mesons: J. Beringer et al. (Particle Data Group): (cím nélkül) . Phsycal Review D, 86 k. (2012)

További információk

• ↑ 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

• Fizikaportál • összefoglaló, színes tartalomajánló lap