Каоны: Странные мезоны и фундаментальные взаимодействия
Kaon
Каоны (K-мезоны): фундаментальные частицы в физике, содержащие странные кварки. Ключевые для Стандартной модели и открытия CP-нарушения, объясняющего асимметрию материи/антиматерии.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Квантовая частица
Quantum particle
В физике частиц каон (['/k//eɪ//.//ɒ//n/]), также называемый K-мезоном и обозначаемый , – это любой из группы из четырёх мезонов, различающихся квантовым числом, называемым странностью. В кварковой модели они рассматриваются как связанные состояния странного кварка (или антикварка) и верхнего или нижнего антикварка (или кварка). Каоны оказались обильным источником информации о природе фундаментальных взаимодействий с момента их открытия в космических лучах в 1947 году. Они сыграли важную роль в становлении основ Стандартной модели физики частиц, таких как кварковая модель адронов и теория смешивания кварков (последнее было отмечено Нобелевской премией по физике в 2008 году). Каоны внесли значительный вклад в наше понимание фундаментальных законов сохранения: нарушение CP – явление, порождающее наблюдаемую асимметрию материи и антиматерии во Вселенной, – было обнаружено в системе каонов в 1964 году (что было отмечено Нобелевской премией в 1980 году). Кроме того, прямое нарушение CP было обнаружено в распадах каонов в начале 2000-х годов в экспериментах NA48 на ЦЕРНе и KTeV в Фермилабе.
In particle physics, a kaon ('/k//eɪ//.//ɒ//n/), also called a K meson and denoted , is any of a group of four mesons distinguished by a quantum number called strangeness. In the quark model they are understood to be bound states of a strange quark (or antiquark) and an up or down antiquark (or quark). Kaons have proved to be a copious source of information on the nature of fundamental interactions since their discovery in cosmic rays in 1947. They were essential in establishing the foundations of the Standard Model of particle physics, such as the quark model of hadrons and the theory of quark mixing (the latter was acknowledged by a Nobel Prize in Physics in 2008). Kaons have played a distinguished role in our understanding of fundamental conservation laws: CP violation, a phenomenon generating the observed matter–antimatter asymmetry of the universe, was discovered in the kaon system in 1964 (which was acknowledged by a Nobel Prize in 1980). Moreover, direct CP violation was discovered in the kaon decays in the early 2000s by the NA48 experiment at CERN and the KTeV experiment at Fermilab.
История
Открытие адронов с внутренним квантовым числом "странность" знаменует начало наиболее захватывающей эпохи в физике частиц, которая даже сейчас, спустя пятьдесят лет, еще не завершена. В значительной степени именно эксперименты стимулировали развитие, и основные открытия происходили неожиданно или даже вопреки ожиданиям теоретиков. — Bigi & Sanda (2016)
The discovery of hadrons with the internal quantum number "strangeness" marks the beginning of a most exciting epoch in particle physics that even now, fifty years later, has not yet found its conclusion by and large experiments have driven the development, and that major discoveries came unexpectedly or even against expectations expressed by theorists. — Bigi & Sanda (2016)
В поисках гипотетического ядерного мезона Луи Лепринс Ринге в 1944 году обнаружил свидетельства существования положительно заряженной, более тяжелой частицы. В 1947 году Г. Д. Рочестер и К. С. Батлер из Манчестерского университета опубликовали две фотографии, полученные в облачной камере при регистрации событий, вызванных космическими лучами: одна показывала, по-видимому, нейтральную частицу, распадающуюся на два заряженных пиона, а другая – заряженную частицу, распадающуюся на заряженный пион и что-то нейтральное. Оценка массы новых частиц была весьма приблизительной – около половины массы протона. Новые примеры этих "V-частиц" появлялись медленно. В 1949 году Розмари Браун (впоследствии Розмари Фаулер), аспирантка в Бристольской группе К. Ф. Пауэлла, обнаружила свой 'k'-след, оставленный частицей очень похожей массы, которая распалась на три пиона. Решение этой загадки оказалось в том, что слабые взаимодействия не сохраняют четность. Первый прорыв был достигнут в Калифорнийском технологическом институте, где облачную камеру подняли на гору Вильсон для увеличения потока космических лучей. В 1950 году было зарегистрировано 30 заряженных и 4 нейтральных "V-частицы". Вдохновленные этим, в течение следующих нескольких лет было проведено множество наблюдений в горных районах, и к 1953 году сложилась следующая терминология: "L-мезон" обозначал либо мюон, либо заряженный пион; "K-мезон" – частицу со средней массой между пионом и нуклоном. Лепринс Ринге ввел термин "гиперон", который используется до сих пор, для обозначения любой частицы, тяжелее нуклона. Поскольку масса K2 лишь немного превышает сумму масс трех пионов, этот распад протекает очень медленно – примерно в 600 раз медленнее, чем распад K1 на два пиона. Эти два различных канала распада были обнаружены Леоном Ледерманом и его коллегами в 1956 году, что подтвердило существование двух слабых собственных состояний (состояний с определенным временем жизни при распадах посредством слабого взаимодействия) нейтральных каонов. Эти два слабых собственных состояния называются (K длинный, τ) и (K короткий, θ). Симметрия CP, которая считалась общепринятой в то время, подразумевала, что = K1 и = K2.
While looking for the hypothetical nuclear meson, Louis Leprince Ringuet found evidence for the existence of a positively charged heavier particle in 1944. In 1947, G. D. Rochester and C. C. Butler of the University of Manchester published two cloud chamber photographs of cosmic ray induced events, one showing what appeared to be a neutral particle decaying into two charged pions, and one which appeared to be a charged particle decaying into a charged pion and something neutral. The estimated mass of the new particles was very rough, about half a proton's mass. More examples of these "V particles" were slow in coming. In 1949, Rosemary Brown (later Rosemary Fowler), a research student in C. F. Powell's Bristol group, spotted her 'k' track, made by a particle of very similar mass that decayed to three pions. The solution to this puzzle turned out to be that weak interactions do not conserve parity. The first breakthrough was obtained at Caltech, where a cloud chamber was taken up Mount Wilson, for greater cosmic ray exposure. In 1950, 30 charged and 4 neutral "V particles" were reported. Inspired by this, numerous mountaintop observations were made over the next several years, and by 1953, the following terminology was being used: "L meson" for either a muon or charged pion; "K meson" meant a particle intermediate in mass between the pion and nucleon. Leprince Rinquet coined the still used term "hyperon" to mean any particle heavier than a nucleon. Since the mass of K2 is just a little larger than the sum of the masses of three pions, this decay proceeds very slowly, about 600 times slower than the decay of K1 into two pions. These two different modes of decay were observed by Leon Lederman and his coworkers in 1956, establishing the existence of the two weak eigenstates (states with definite lifetimes under decays via the weak force) of the neutral kaons. These two weak eigenstates are called the (K long, τ) and (K short, θ). CP symmetry, which was assumed at the time, implies that = K1 and = K2.
Колебания
Изначально чистый луч превратится в свою античастицу, , при распространении, которая снова превратится в исходную частицу, , и так далее. Это называется колебанием частиц. При наблюдении слабого распада на лептоны было обнаружено, что всегда распадается на позитрон, а античастица – на электрон. Предыдущий анализ выявил связь между скоростью образования электронов и позитронов из источников чистых и его античастиц. Анализ временной зависимости этого полулептонического распада продемонстрировал явление колебаний и позволил определить разницу масс между и . Поскольку это обусловлено слабыми взаимодействиями, она очень мала – в 10−15 раз меньше массы каждого состояния, а именно.
An initially pure beam of will turn into its antiparticle, , while propagating, which will turn back into the original particle, , and so on. This is called particle oscillation. On observing the weak decay into leptons, it was found that a always decayed into a positron, whereas the antiparticle decayed into the electron. The earlier analysis yielded a relation between the rate of electron and positron production from sources of pure and its antiparticle Analysis of the time dependence of this semileptonic decay showed the phenomenon of oscillation, and allowed the extraction of the mass splitting between the and Since this is due to weak interactions it is very small, 10−15 times the mass of each state, namely
Восстановление
Луч нейтральных каонов распадается в полете, так что короткоживущий компонент исчезает, оставляя луч, состоящий только из долгоживущих каонов. Если этот луч направлен в вещество, то каон и его античастица взаимодействуют с ядрами по-разному. Каон испытывает квазиупругое рассеяние на нуклонах, в то время как его античастица может создавать гипероны. Квантовая когерентность между этими двумя частицами теряется из-за различных взаимодействий, в которые вступают отдельные компоненты. Получающийся луч содержит различные линейные суперпозиции каонов K⁰ и K⁰̄. Такая суперпозиция является смесью K⁰ и K⁰̄; каон K⁰ регенерируется при прохождении нейтрального каонного пучка через вещество. Регенерацию наблюдали Оресте Пикчиони и его коллеги в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Вскоре после этого Роберт Адер и его соавторы сообщили об избыточной регенерации K⁰, открыв тем самым новую главу в этой области исследований.
A beam of neutral kaons decays in flight so that the short lived disappears, leaving a beam of pure long lived If this beam is shot into matter, then the and its antiparticle interact differently with the nuclei. The undergoes quasi elastic scattering with nucleons, whereas its antiparticle can create hyperons. Quantum coherence between the two particles is lost due to the different interactions that the two components separately engage in. The emerging beam then contains different linear superpositions of the and Such a superposition is a mixture of and ; the is regenerated by passing a neutral kaon beam through matter. Regeneration was observed by Oreste Piccioni and his collaborators at Lawrence Berkeley National Laboratory. Soon thereafter, Robert Adair and his coworkers reported excess regeneration, thus opening a new chapter in this history.