К-мезо'ны,каоны, группа нестабильных элементарных частиц, в которую входят две заряженные (К
+, К
-) и две нейтральные (К
0, ) частицы с нулевым
и массой приблизительно в 970 раз большей, чем масса электрона. К.-м. участвуют в
,т. е. являются адронами; они не имеют
и обладают отличным от нуля значением квантового числа
(
S)
,характеризующей их поведение в процессах, обусловленных сильным взаимодействием: у К
+и К° S=+1, а у К
-и (являющихся
К
+, К°)
S= —1. Совместно с
К.-м. образуют группу так называемых странных частиц (частиц, для которых S ¹ 0).
К
+и К° одинаковым образом участвуют в сильных взаимодействиях, имеют приблизительно одинаковые массы и различаются лишь электрическим зарядом. Они могут быть объединены в одну группу — так называемый изотопический дублет (см.
)
и рассматриваются как различные зарядовые состояния одной и той же частицы с
I =
1/
2. Аналогичную группу составляют и . Из-за различия в странности нейтральные К-м. К° и являются разными частицами, различным образом участвующими в сильных взаимодействиях.
Согласно современной классификации элементарных частиц, К-м. (К
+, К°, , ) вместе с p-мезонами (p
+
,p
0, p
-)
и h
0-мезоном входят в одну группу (октет) частиц, приблизительно одинаково участвующих в сильных взаимодействиях.
Открытие К-мезоновсвязано с работами большого числа учёных в различных странах. В 1947—51 в
было открыто несколько частиц, массы которых, измеренные с доступной в то время точностью, были приблизительно одинаковыми, а способы распада — разными.
Табл. 1.— Основные характеристики и способы распада К-мезонов
Частица
Масса
m(
Мэв)
Странность
S
Время жизни
t: (сек)
Способы распада
Вероятность распада (в
%)
К
+К
-
494
+1 —1
1,2-10
-8
m
±+
np
±+ p
0p
±+ p
—+ p
+p
±+p
0+p
0m
±+p
0+
ne
±+p
0+
ne
±+
n
64 21 5,57 1,70 3,18 4,85 1,2-10
-5
К
0
498
+1 —1
Распады на ~50% по схеме K
0
Sи на ~50% по схеме и на K
0
L(см. табл. 2)
.
Табл. 2.— Основные способы распада K
0
Sи K
0
L
Частица
Масса
м
Время жизни
t(
сек)
Способы распада
Вероятность распада (в
%)
K
0
S
»m
K
0
0,86-10
-10
p
++ p
—p
0+p
0
68,7 31,3
K
0
L
»m
K
0Разность масс:
mK
L—
mK
s» 3-10
-6
эв
5,4-10
-8
p
0+p
0+p
0p
++p
—+p
0p
±+m
±+
np
±+e
±+
np
++ p
—p
0+p
0g+ g
21,5 12,6 26,8 38,8 0,16 0,12 5-10
-4
Это были так называемые q-мезоны, распадающиеся на два
,t-мезоны, распадающиеся на три p-мезона, и др. Значит. прогресс в изучении этих частиц начался с 1954, когда их удалось получать с помощью
.Тщательные измерения масс и времён жизни показали, что во всех этих случаях наблюдались различные способы распада одних и тех же частиц, названных К-м.
Открытие К-м. сыграло важную роль в физике элементарных частиц; оно помогло установить новую характеристику сильно взаимодействующих частиц (адронов) — странность и создать современную систематику адронов (см.
)
.Изучение распадов К-м. дало первые сведения о несохранении в
пространственной и зарядовой чётности, а также о нарушении комбинированной чётности (см.
,
,
)
.
Сильные взаимодействия К-мезонов.Наличие у К-м. отличной от нуля странности
Sнакладывает (из-за сохранения
Sв сильных взаимодействиях) характерный отпечаток на процессы сильных взаимодействий с участием К-м. Так, К
+и К
0, имеющие S = +1, рождаются при столкновениях «нестранных» частиц — p-мезонов и нуклонов (протонов и нейтронов) — только совместно с гиперонами или , , имеющими отрицательное значение странности (см., например, в ст.
)
.
Поскольку все гипероны имеют отрицательную странность, они легче рождаются в процессах, вызванных К
—и , чем в процессах, вызванных К
+и К
0. Например, возможна реакция + р ® L
0+ p
+
,тогда как реакция К
0+ р ® L
0+ p
+запрещена законом сохранения странности в сильных взаимодействиях (здесь р — протон, L
0— гиперон). Рождение гиперонов в пучках К
+, К
0менее вероятно, т.к. оно требует появления совместно с гипероном нескольких дополнительных К
+или К
0.
Поэтому медленные К
+, К
0слабее взаимодействуют с веществом, чем , .
Слабые взаимодействия К-мезонов.Распады К-м. обусловлены слабым взаимодействием и происходят с изменением странности на 1 (в слабых взаимодействиях странность не сохраняется). Распады могут осуществляться различными способами и подчиняются эмпирическим правилам, определяющим изменение странности, изотопического спина адронов и пр. (см.
)
.В распадах К-м. не сохраняются пространственная и зарядовая чётности, что проявляется, например., в возможности распада как на 2 p-, так и на 3 p-мезона.
Рисунок иллюстрирует процессы сильного и слабого взаимодействия К-м.
Специфические свойства нейтральных К-мезонов.Выше отмечалось, что К
0- и
-мезоны, отличаясь друг от друга значениями квантового числа странности, участвуют в процессах сильного взаимодействия как две различные частицы. Поскольку, однако, в процессах слабого взаимодействия, в частности в распадах К.-м., странность не сохраняется, оказываются возможными взаимные превращения K
0Ы
.Наличие таких переходов между частицей и античастицей, имеющими разные значения одного из квантовых чисел, характеризующих элементарные частицы, обусловливает специфические, уникальные свойства нейтральных К.-м. Для любых других частиц существование подобных переходов
запрещено строгими законами сохранения электрического или барионного заряда (а также, по-видимому, и
для переходов нейтрино — антинейтрино).
В вакууме благодаря переходам K
0Ы состояниями, имеющими определённую энергию и время жизни, будут не К
0и , а две квантово-механических суперпозиции этих состояний. Эти суперпозиции соответствуют частицам с различными массами и различными временами жизни: долгоживущему K
0
L- и короткоживущему K
0
S-meзонам. Разность масс K
0
Sи K
0
Lобусловлена слабым взаимодействием, вызывающим переходы K
0Ы , и весьма мала. Время жизни и способы распада K
0
Sи K
0
Lуказаны в.
Таким образом, в то время как в процессах, вызываемых сильным взаимодействием, проявляются состояния К
0и , обладающие определёнными значениями странности (сохраняющейся в сильном взаимодействии), в процессах слабого взаимодействия (в распадах) проявляются как частицы состояния K
0
Lи K
0
S. Состояния K
0
Lи K
0
Sблизки к суперпозициям состояний, которые называют K
0
1и K
0
2:
K
0
s» K
0
1= ,
K
0
L» K
0
2= ,
т. е. K
0
Lи K
0
Sприблизительно на 50% «состоят» из К
0и на 50% — из . Аналогичным образом можно утверждать, что К
0и приблизительно на 50% «состоят» из K
0
Sи на 50% — из K
0
Lтот факт, что состояния К
0и представляют суперпозицию двух состояний K
0
Lи K
0
Sразными массами и временами жизни, приводит к появлению своеобразных осцилляций («биений»): К
0, возникая в результате сильного взаимодействия, на некотором расстоянии от точки рождения частично превращается за счёт слабого взаимодействия в и потому оказывается способным вызывать ядерные реакции, характерные для и запрещенные для К
0, например реакцию + р ® L
0+ p
+(эффект Пайса — Пиччони). Др. своеобразное явление — так называемая регенерация короткоживущих K
0
S-meзонов при прохождении через вещество долгоживущих K
0
L-meзонов: на достаточно больших расстояниях от места образования пучка К
0(или ) пучок состоит практически только из долгоживущих K
0
L, т.к. короткоживущие K
0
Sраспадаются раньше. Поэтому на таких расстояниях наблюдаются лишь распады, характерные для K
0
L(). Казалось бы, K
0
Sне могут вновь появиться в пучке. Однако если пучок K
0
Lпропустить через слой вещества, то из-за различия во взаимодействиях с веществом К
0и , составляющих K
0
L, изменяется относительный состав пучка и в пучке K
0
Lпоявляется добавка K
0
Sс характерными для K
0
Sраспадами.
Комбинации K
0
1и К
0
2обладают определённой симметрией относительно операции комбинированной инверсии (
СР)
:при переходе от частиц к античастицам (операция зарядового сопряжения С) с одновременным пространственным отражением (операция Р) волновая функция, соответствующая состоянию K
0
1, остаётся неизменной, а волновая функция К
0
2меняет знак. Поэтому состояние K
0
1может распадаться на 2p (систему, обладающую теми же свойствами относительно операции СР, что и K
0
1), a K
0
2не может. Поскольку вероятность распада на 2p значительно превышает вероятности др. способов (каналов) распада, большое различие во временах жизни долго- и короткоживущих К-м. считалось указанием на существование в природе симметрии относительно операции комбинированной инверсии, а состояния K
0
Lи K
0
Sотождествлялись с K
0
1и К
0
2. Однако в 1964 было установлено, что долгоживущий К-м. с вероятностью приблизительно 0,2% распадается на 2p
.Это свидетельствует о нарушении СР-симметрии и об отличии состояний K
0
Lи K
0
Sот K
0
1и К
0
2. Природа сил, нарушающих СР-симметрию, ещё не выяснена. Имеющиеся эксперимент. данные не противоречат возможности существования в природе особого «сверхслабого» взаимодействия, нарушающего симметрию
СРи проявляющегося в распадах нейтральных К-м.
Лит.:Марков М. А., Гипероны и К-мезоны, М., 1958; Далиц P., Странные частицы и сильные взаимодействия, пер. с англ., М., 1964; Окунь Л. Б., Слабое взаимодействие элементарных частиц, М., 1963; Ли Ц. и By Ц., Слабые взаимодействия пер. с англ., М., 1968; Газиорович С., Физика элементарных частиц, пер. с англ. М., 1969; Эдер Р. К., Фаулер Э. К., Странные частицы, пер. с англ., М., 1966.
С. С. Герштейн.
Схематическое изображение фотографии, полученной в водородной пузырьковой камере, иллюстрирующее процессы сильного и слабого взаимодействий К-мезонов. В точке 1 за счёт сильного взаимодействия происходит реакция К
-+p®W
-+К
++К
0, в которой сохраняется странность. Распады образовавшихся частиц происходят в результате слабого взаимодействия с изменением странности на 1: К
0®p
++p
-(в точке 2); W
-®L
0+К
-(в точке 3); L
0®p+p
-(в точке 4); К
-®p
++p
-+p
-(в точке 5). Треки частиц искривлены, так как камера находится в магнитном поле. Пунктиром обозначены треки нейтральных частиц, не оставляющие следа в камере.