Kaon

Struktura kaonu plus. Składa się on z kwarka u i antykwarka s

Kaon (mezon K) – najlżejsza cząstka o niezerowej dziwności, mezon K jest bozonem o spinie 0. Antycząstką kaonu jest antykaon.

Występują cztery rodzaje kaonów, izodublet zawierający kwark dziwny $s:$

$K^{-}=\overline{u}s,$

${\overline{K}}^0=\overline{d}s$

oraz izodublet zawierający kwark antydziwny $\overline{s}$

$K^{+}=u\overline{s},$

$K^0=d\overline{s}.$

Historia

Kaony zostały odkryte w roku 1947 przez Georga D. Rochestera i Clifforda Charlesa Butlera z Uniwersytetu w Manchesterze w promieniowaniu kosmicznym.

Kaony neutralne

Mieszanie $K^0$ i ${\overline{K}}^0$

Z punktu widzenia oddziaływań silnych, zachowujących dziwność $K^0$ oraz ${\overline{K}}^0$ są innymi cząstkami.

Mezon K⁰ występuje w dwóch odmianach: długożyjącej, oznaczanej jako K⁰_L (5,116±0,021)·10⁻⁸ s i krótkożyjącej K⁰_S (8,954±0,004)·10⁻¹¹ s, które można zapisać jako superpozycje cząstek $K^0$ oraz ${\overline{K}}^0:$

$K_{\mathrm{S}}^{\mathrm{0}}$ = $\frac{d\overline{s}+s\overline{d}}{\sqrt{2}}$

$K_{\mathrm{L}}^{\mathrm{0}}$ = $\frac{d\overline{s}-s\overline{d}}{\sqrt{2}},$

lub

$|K_S^0⟩=p|K^0⟩+q|{\overline{K}}^0⟩,$

$|K_L^0⟩=p|K^0⟩-q|{\overline{K}}^0⟩.$

Rozpady

K⁰_S rozpada się prawie wyłącznie na pary pionów:

• $K_S^0\to {\pi }^{+}{\pi }^{-}$ – 69,2%
• $K_S^0\to 2{\pi }^0$ – 30,7%

Główne kanały rozpadu K⁰_L:

• $K_L^0\to {\pi }^{\pm }{e}^{\mp }{\nu }_e$ – 40,5%
• $K_L^0\to {\pi }^{\pm }{\mu }^{\mp }{\nu }_{\mu }$ – 27,1%
• $K_L^0\to 3{\pi }^0$ – 19,5%
• $K_L^0\to {\pi }^{+}{\pi }^{-}{\pi }^0$ – 12,5%

Regeneracja kaonów K⁰_S

Po rozpadzie K⁰_S, wiązka K⁰ zawiera wyłącznie K⁰_L. Jeśli taka wiązka zostanie przepuszczona przez cienką warstwę materiału, za tą warstwą w składzie wiązki znów pojawią się K⁰_S. Jest to skutek różnych rodzajów oddziaływań K⁰ i K⁰ z materią. Proces nazywany jest regeneracją kaonów.

Złamanie symetrii CP

Rozpady tych dwóch cząstek łamią symetrię CP (zamiana cząstka-antycząstka + inwersja przestrzenna).

Kaony naładowane

$K^{+}=u\overline{s}$

$K^{-}=\overline{u}s$

m = 493,677 ± 0,016 MeV/c²

τ = (1,2380 ± 0,0021) 10⁻⁸ s

Rozpady

Główne kanały rozpadu K⁺:

• $K^{+}\to {\mu }^{+}{\nu }_{\mu }$ – 63,5%
• $K^{+}\to {\pi }^{+}{\pi }^0$ – 13,5%

Rozpady K⁻ są analogiczne.

Zagadka τ-θ

Początkowo były znane dwa dziwne dodatnio naładowane mezony, różniące się sposobem rozpadu:

1. ${\theta }^{+}\to {\pi }^{+}+{\pi }^0$
2. ${\tau }^{+}\to {\pi }^{+}+{\pi }^{+}+{\pi }^{-}$

Stany końcowe tych reakcji miały różną parzystość. Ponieważ wcześniej przyjmowano, że parzystość jest zawsze zachowana, mezony τ i θ musiałyby być różnymi cząstkami. Precyzyjne pomiary masy i czasu życia nie pokazały jednak żadnej różnicy między nimi, wydawały się identyczne. Rozwiązaniem tej zagadki okazało się złamanie parzystości w oddziaływaniach słabych. Oba mezony oddziałują słabo, więc ta reakcja nie musi wbrew początkowym oczekiwaniom zachowywać parzystości. Oba rozpady mogą więc rozpoczynać się od tej samej cząstki, którą w rezultacie nazwano K⁺.