Kaón

Kaon (o mesón K [1] , denotado K ) es un mesón que contiene un antiquark extraño y un quark u o d (los antikaons, por el contrario, contienen un quark extraño y un antiquark u o d). Los kaones son los más ligeros de todos los hadrones extraños (es decir, que tienen un número cuántico distinto de cero llamado extrañeza ) .

Propiedades básicas

Hay cuatro kaones con cierta masa:

El K − cargado negativamente (que contiene un s-quark y un u-antiquark ) tiene una masa de 493,667(16) MeV y una vida útil de 1,2380(21)⋅10 −8 segundos.
Su antipartícula , cargada positivamente K + (que contiene un u-quark y un s-antiquark), de acuerdo con la simetría CPT , debe tener una masa y un tiempo de vida iguales a la masa y el tiempo de vida de K− , respectivamente . La diferencia de masa medida experimentalmente es 0,032(90) MeV, es decir, es compatible con cero. La diferencia en la vida útil también es cero (resultado experimental: Δτ = 0.11(9)⋅10 −8 segundos).
K 0 (que contiene un d-quark y un s-antiquark ) tiene una masa de 497.614(24) MeV.
Su antipartícula (que contiene un s-quark y un d-antiquark ) tiene la misma masa. ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$

Está claro a partir del modelo de quarks que los kaones forman dos dobletes de isospín ; es decir, pertenecen a la representación fundamental del grupo SU(2) , llamado 2 . Un doblete con extrañeza +1 e isospin +1/2 contiene K + y K 0 . Las antipartículas forman un segundo doblete con extrañeza −1 e isospín −1/2.

Partícula	Símbolo	anti partículas	Quark composición de la partícula	Spin y paridad , $J^{{\ pi ))$	Masa MeV / c² _	S	Tiempo de vida desde	se rompe en	notas
Kaón cargado	${\mathrm {K^{+))}$	${\mathrm {K^{-}}}$	${\ matemáticas {u {\ bar {s}}}}$	Pseudoescalar (0 − )	493.667(16)	+1	1.24⋅10 −8	μ + ν μ o π + +π 0 o π + +π + +π − o π 0 +e + +ν e
kaon neutral	${\ matemáticas {K^{0))}$	${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$	${\mathrm {d{\bar {s))))$	Pseudoescalar (0 − )	497.614(24)	+1	decaimiento débil ver abajo		Estado propio fuerte - sin vida definida
kaón de corta duración	${\mathrm {K_{S}^{0))}$	${\mathrm {K_{S}^{0))}$	${\mathrm {{\frac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}({\sqrt {2}}}}}}$	Pseudoescalar (0 − )	497.614(24)	(*)	0.89⋅10 −10	π + + π − o 2π 0	Estado propio débil : la composición indica una violación de CP
kaon de larga vida	${\mathrm {K_{L}^{0))}$	${\mathrm {K_{L}^{0))}$	${\mathrm {{\frac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{{\sqrt {2}}}}}}$	Pseudoescalar (0 − )	497.614(24)	(*)	5.2⋅10−8 _	π ± +e ∓ +ν e o π ± +μ ∓ +ν μ o 3π 0 o π + +π 0 +π −	Estado propio débil : la composición indica una violación de CP

Aunque K 0 y su antipartícula suelen provenir de la fuerza fuerte, se desintegran a través de la fuerza débil. Por lo tanto, pueden verse como una composición de dos estados propios débiles que tienen tiempos de vida muy diferentes: ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$

El kaon neutral de larga duración, designado K L ("K-largo"), generalmente se descompone en tres piones y tiene una vida útil de 5.18⋅10 −8 segundos.
El kaón neutro de vida corta, denominado KS ( "K-corto"), normalmente se desintegra en dos piones y tiene una vida útil de 8,958⋅10 −11 segundos.

( Consulte la discusión sobre la mezcla de kaon neutral a continuación ) .

Los experimentos en 1964, que mostraron que K L rara vez se descompone en dos piones, llevaron al descubrimiento de la violación de CP (ver más abajo).

Las principales opciones de decaimiento para K + son:

$\mu^{+}\nu _{\mu}$ (leptón, factor de ramificación BR = 63,55(11)%);
$\pi^{+}\pi^{0}$ (hadrón, BR = 20,66(8)%);
$\pi^{+}\pi^{+}\pi^{-}$ (hadrón, BR = 5,59(4)%);
$\pi ^{0}e^{+}\nu _{e}$ (semieptónico, BR = 5,07(4)%);
$\pi ^{0}\mu ^{+}\nu _{{\mu }}$ (semieptónico, BR = 3,353(34)%);
$\pi^{+}\pi^{0}\pi^{0}$ (hadrón, BR = 1.761(22)%).

Rarezas

El descubrimiento de los hadrones con un número cuántico intrínseco - "extrañeza" - marcó el comienzo de la era más asombrosa de la física de partículas elementales, que aún ahora, cincuenta años después, no ha llegado a su fin... Fueron los grandes experimentos los que determinaron este desarrollo, y los principales descubrimientos aparecieron inesperadamente o incluso a pesar de las expectativas teóricas.

- Bigi II , Sanda AI CP Violación Nueva York: Universidad de Cambridge. Prensa, 2000. - 382 p. - ISBN 0-521-44349-0 .

En 1947 , J. Rochester y C. K. Butler publicaron dos fotografías de eventos de cámaras de niebla causados por rayos cósmicos ; uno mostraba una partícula neutra que se descomponía en dos piones cargados y el otro una partícula cargada que se descomponía en un pión cargado y algo neutro. La estimación de las masas de las nuevas partículas fue aproximada: aproximadamente la mitad de la masa de un protón. Pronto aparecieron más ejemplos de estas "partículas en V".

El primer avance se produjo en Caltech , donde se llevó una cámara de niebla a Mt. Cloud para observar mejor los rayos cósmicos. En 1950 se observaron 30 partículas V cargadas y 4 neutras. Inspirados por esto, los científicos realizaron muchas observaciones en la cima de la montaña durante los años siguientes, y en 1953 se aceptó la siguiente clasificación: "L-mesón" significaba muón o pión . "K-mesón" significaba una partícula que tenía una masa entre la de un pión y la de un nucleón . " Hiperón " significaba cualquier partícula más pesada que un nucleón.

Los decaimientos fueron muy lentos; la vida útil típica era del orden de 10 −10 segundos. Sin embargo, la producción de partículas en las reacciones pión- protón fue mucho más rápida, con un tiempo característico del orden de 10 −23 s. El problema de esta inconsistencia fue resuelto por Abraham Pais , quien postuló la existencia de un nuevo número cuántico llamado " extrañeza " que se conserva en la interacción fuerte pero no en la débil. Las partículas extrañas aparecieron en grandes cantidades debido al "nacimiento acoplado" de una partícula extraña y anti-extraña. Pronto se demostró que no es un número cuántico multiplicativo , ya que de lo contrario se permitirían reacciones que no se observaron en los nuevos ciclotrones construidos en el Laboratorio Nacional Brookhaven en 1953 y en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en 1955.

Violación de la paridad: el enigma θ-τ

Para los mesones extraños cargados, se han encontrado dos tipos de descomposición:

θ + → π + + π 0
τ + → π + + π + + π - .

Dado que los dos estados finales tienen paridades diferentes , se supuso que los estados iniciales también deben tener paridades diferentes y, por lo tanto, ser dos partículas diferentes. Sin embargo, mediciones más precisas no mostraron diferencias en sus masas y vidas, lo que demuestra que son la misma partícula. Este fenómeno se conoce como el enigma θ-τ . Solo se resolvió con el descubrimiento de la violación de paridad en interacciones débiles . Debido a que los mesones se desintegran a través de la fuerza débil, la paridad no debería conservarse y las dos desintegraciones podrían ser causadas por una sola partícula, ahora llamada K + .

Violación de CP en oscilaciones de mesones neutros

En un principio se creía que aunque se rompiera la paridad, se conservaba la simetría CP (carga + paridad) . Para comprender el descubrimiento de la ruptura de la simetría CP , se debe comprender la mezcla de kaones neutros; este fenómeno no requiere la violación de CP, pero es en este contexto que se observó por primera vez la violación de CP.

Mezcla de kaones neutros

Dado que los kaones neutros tienen extrañeza, no pueden ser sus propias antipartículas. Entonces debe haber dos kaones neutrales diferentes, que se diferencian por dos unidades de extrañeza. La pregunta es cómo establecer la existencia de estos dos mesones. La solución utiliza un fenómeno llamado oscilaciones de partículas neutras , en el que estos dos tipos de mesones pueden convertirse entre sí a través de una fuerza débil que hace que se descompongan en piones (ver figura adjunta).

Estas oscilaciones fueron investigadas por primera vez por Murray Gell-Mann y Abraham Pais en su trabajo conjunto. Consideraron la evolución temporal invariable de CP de los estados con la extrañeza opuesta. En notación matricial, se puede escribir

\psi (t)=U(t)\psi (0)={{\rm {e}}}^{{iHt}}{\begin{pmatrix}a\\b\end{pmatrix}},\qquad H={\begin{pmatrix}M&\Delta \\\Delta &M\end{pmatrix}}

donde ψ es el estado cuántico del sistema, caracterizado por las amplitudes de existencia en cada uno de los dos estados fundamentales (denotados a y b en el tiempo t = 0 ). Los elementos diagonales ( M ) del hamiltoniano corresponden a la fuerza fuerte , que conserva la extrañeza. Los dos elementos diagonales deben ser iguales ya que la partícula y la antipartícula tienen masas iguales en ausencia de una fuerza débil. Los elementos fuera de la diagonal que mezclan partículas con extrañeza opuesta son causados por la fuerza débil; La simetría CP requiere que sean reales.

Si la matriz H es real, las probabilidades de los dos estados fluctuarán indefinidamente. Sin embargo, si alguna parte de la matriz es imaginaria, aunque esto está prohibido por la invariancia de CP, entonces parte de la combinación disminuirá con el tiempo. La parte decreciente puede ser un componente ( a ), o el otro ( b ), o una mezcla de ambos.

Mezcla

Los estados propios se obtienen diagonalizando esta matriz. Esto da nuevos vectores propios, que podemos llamar K 1 , que es la suma de dos estados con extrañeza opuesta, y K 2 , que es la diferencia. Ambos son estados propios de CP con valores propios opuestos; K 1 tiene CP = +1 y K 2 tiene CP = −1. Dado que el estado final de dos piones también tiene CP = +1, solo K 1 puede decaer de esta manera. K 2 debe decaer en tres piones. Dado que la masa de K 2 es ligeramente mayor que la suma de las masas de tres piones, esta descomposición es muy lenta, unas 600 veces más lenta que la descomposición de K 1 en dos piones. Estos dos caminos de descomposición fueron observados por Leon Lederman y sus colegas en 1956 , quienes establecieron la existencia de dos estados propios débiles (estados con un tiempo de vida definido en la descomposición de los kaones neutrales a través de la interacción débil) de los kaones neutrales.

Estos dos autoestados se han denominado K L (K-largo) y KS ( K-corto). La simetría CP , que en ese momento se consideraba inquebrantable, sugiere que K S = K 1 y K L = K 2 .

Oscilación

Inicialmente, un haz puro K 0 , durante la propagación, se convertirá en sus antipartículas, que luego volverán a convertirse en las partículas iniciales, y así sucesivamente. Este fenómeno se ha denominado oscilación de partículas. Al observar las desintegraciones en leptones , resultó que K 0 siempre decaía con la emisión de un electrón, mientras que la antipartícula , con la emisión de un positrón. El primer análisis reveló la relación entre el nivel de producción de electrones y positrones de las fuentes de K 0 puro y sus antipartículas . Un análisis de la dependencia temporal de la desintegración semileptónica demostró la existencia del fenómeno de oscilación y permitió dilucidar la división de masas entre KS y KL . Debido a que existe debido a la fuerza débil, es muy pequeño, 3.483(6)⋅10 −12 MeV (10 −15 masas de cada estado). ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$ ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$

Recuperación

El haz de kaones neutros en vuelo decae de modo que el KS de corta duración desaparece , dejando una corriente de K L puro de larga duración . Si este flujo atraviesa la materia, K 0 y su antipartícula interactúan de manera diferente con los núcleos. Con K 0 se produce una dispersión casi elástica por parte de los nucleones , mientras que su antipartícula puede crear hiperones . Debido a la diferente interacción de los dos componentes, se pierde la coherencia cuántica entre las dos partículas. El flujo resultante contiene varias superposiciones lineales de K 0 y . Tal superposición es una mezcla de K L y K S ; por lo tanto, KS se restaura cuando un haz de kaones neutros atraviesa la materia. La recuperación fue observada por Oreste Piccioni y sus colegas en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Poco tiempo después, Robert Adair y sus asistentes informaron sobre la recuperación en exceso de K S , abriendo así un nuevo capítulo en esta historia. ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$ ${\mathrm {{\bar {K}}^{0}}}$

Ruptura de simetría CP

En un intento de verificar los resultados de Adair, en 1964 James Cronin y Val Fitch del BNL descubrieron la descomposición de K L en dos piones (CP = +1). Como se indicó anteriormente , esta descomposición requiere que los estados inicial y final previstos tengan diferentes valores de CP y, por lo tanto, sugiere inmediatamente la ruptura de la simetría de CP . Otras explicaciones, como la no linealidad de la mecánica cuántica o una nueva partícula elemental ( el hiperfotón ), pronto fueron descartadas, dejando la violación de CP como única posibilidad. Por este descubrimiento, Cronin y Fitch recibieron el Premio Nobel de Física de 1980 .

Resultó que aunque K L y KS son estados propios débiles (porque tienen un cierto tiempo de vida cuando se desintegran a través de la fuerza débil), no son exactamente estados CP. En cambio, hasta un factor de normalización

K L = K 2 + εK 1

(y de manera similar para K S ), donde ε es un parámetro pequeño. Así, ocasionalmente K L decae como K 1 con CP = +1, y de manera similar KS puede decaer como K 2 con CP = −1. Este fenómeno se conoce como violación indirecta de CP , una violación de la simetría de CP debido a la mezcla de K 0 y su antipartícula. También hay una violación directa de la simetría CP , en la que la violación ocurre durante el propio decaimiento. Ambos efectos se observan porque tanto la mezcla como el decaimiento provienen de la misma interacción con el bosón W y, por lo tanto, la matriz CMC predice la violación de CP .

Véase también

Hadrones , mesones , hiperones y sabor
S-quark y modelo de quark
Paridad (física) , conjugación de carga , simetría T , invariancia de CPT y violación de CP
Oscilaciones de neutrinos

Notas

↑ KAONS • Gran Enciclopedia Rusa . Consultado el 4 de junio de 2016. Archivado desde el original el 23 de abril de 2016. (indefinido)

Enlaces

Grupo de datos de partículas (2010) sobre mesones
El modelo del quark , por JJJ Kokkedee
Violación de CP , por II Bigi y AI Sanda (Cambridge University Press, 2000) ISBN 0-521-44349-0
Griffiths, David (1987). Introducción a las Partículas Elementales. Nueva York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-60386-4 .
V. M. Terentiev. Deterioro y posible falta de conservación de la paridad CP $K_{2}\flecha derecha 2\pi$ . - UFN, tomo 86, 1965, n. 2, pág. 231-262.
Cirigliano V. et al. Kaon decae en el modelo estándar // Rev. Modificación. física . - 2012. - vol. 84. - Pág. 399-447. -doi : 10.1103 / RevModPhys.84.399 .

Partículas en física

partículas fundamentales

Fermiones

quarks	tu d s C b t
leptones	e -_ mi + μ − • μ + τ − • τ + neutrino ν mi • ν mi ν μ • ν μ ν τ • ν τ

bosones

Medir	γ gramo W ± •Z 0
Escalar	bosón de Higgs

partículas compuestas

hadrones

Bariones ( Hiperones )	Nucleones pags pags norte norte Δ Λ Σ Ξ Ω Pentaquarks
Mesones ( quarkonia )	π η • η′ pags ω φ J/ψ ϒ θ k B D T tetraquarks

Compuestos de partículas fundamentales y (o) compuestas

Común	núcleos atómicos deuterón Tritón Helión α átomos iones cationes aniones moléculas
Inusual	En física de hipernúcleos : Λ -hipernúcleos Hiperhidrógeno hipertritón Σ -hipernúcleos Átomos exóticos : Mesoátomos Muónico Hidrógeno muónico Hadrónico peonía Kaónico Antiprotón Σ -hiperónica átomos de leptón positronio muonio dimuonio protonio Peonía mesomolécula dipositronio