К-МЕЗОНЫ

(каоны), группа нестабильных элем. ч-ц из двух заряженных (К+ , К=-) и двух нейтральных (К°, К=°) ч-ц с нулевым спином и массой, прибл. в 970 раз большей массы эл-на (в энергетич. ед. масса К+ равна 493,7 МэВ, а К°—497,7 МэВ). К-м. участвуют в сильном вз-ствии, т. е. явл. адронами: они не имеют барионного наряда и обладают ненулевым значением квант. числа странности (S): у К+ и К° S = + l, а у К- и К=° (являющихся античастицами К+ , К°) S=-1. Совместно с гиперонами К-м. относятся к странным частицам. К+ и К° объединяются в изотопич. дублет (см. ИЗОТОПИЧЕСКАЯ ИНВАРИАНТНОСТЬ) и рассматриваются как разл. зарядовые состояния одной ч-цы с изотопич. спином I=1/2. Аналогичную группу составляют К- и К=°.

Согласно модели кварков, в состав К- и К=° входит s-кварк с S=-1, a в состав К+ и К°— антикварк s= с S=+1 (см. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ).

Открытие К-м.. связано с работами большого числа учёных. В 1947—51 в косм. лучах были открыты ч-цы, массы к-рых были прибл. одинаковыми, а способы распада — разными: q-мезоны, распадающиеся на два p-мезона, и t-мезоны, распадающиеся на три p-мезона. В 1954 эти ч-цы стали получать с помощью ускорителей, и тщат. измерения масс и времён жизни показали, что во всех случаях наблюдались разл. способы распада одних и тех же ч-ц, названных К-м.

Сильное взаимодействие К-м. Закон сохранения странности в сильном вз-ствии накладывает характерный отпечаток на процессы сильного вз-ствия с участием К-м. Так, К+ и К° (.S=1) рождаются при столкновениях «нестранных» ч-ц— p-мезонов и нуклонов только совм. с гиперонами или К-, К=°, имеющими отрицат. значение странности. Сильное вз-ствие может вызывать, напр., процессы:

Во всех этих реакциях суммарная странность в конечном состоянии равна 0 в соответствии с тем, что в нач. состоянии S=0. К- и К=° рождаются при столкновении нестранных ч-ц либо совместно с К+ или К°, либо с антигиперонами, странность к-рых положительна. Рождение гиперонов в пучках К+ , К° менее вероятно, чем в пучках К-, К=°, т. к. оно требует появления совм. с гипероном неск. дополнит. К+ или К°. Поэтому медленные К+ , К° слабее взаимодействуют с в-вом, чем К-, К=°.

Слабое взаимодействие К — м. Распады К-м. обусловлены слабым вз-ствием и происходят с изменением странности на единицу. Они могут осуществляться разл. способами, напр. K±®m±+vm(v=m) (63,5%); p±+p° (21,16%). Время жизни К+ и К составляет 1,2•10-8 с. В распадах К-м. не сохраняются пространств. чётность и зарядовая чётность, что проявляется, напр., в возможности распада как на два, так и на три p-мезона.. Рисунок иллюстрирует процессы сильного и слабого вз-ствий К-м.

Схематич. изображение фотографии, полученной в водородной пузырьковой камере, иллюстрирующее процессы вз-ствий К-мезонов. В точке 1 за счёт сильного вз-ствия происходит реакция K-+р®W-+ К++К°, в к-рой сохраняется странность. Образовавшиеся ч-цы распадаются в результате слабого вз-ствия с изменением странности на 1: К°®p++p- (в точке 2); W-®-L°+К- (в точке 3); L°®p+p- (в точке 4); К-®p++p-+p- (в точке 5). Треки ч-ц искривлены, т. к. камера находится в магн. поле. Пунктиром обозначены треки нейтр. ч-ц, не оставляющих следа в камере.

Специфические свойства нейтральных К-м. К° и К=°, обладая разл. значениями странности, по-разному участвуют в сильном вз-ствии. Однако слабое вз-ствие, меняющее странность, делает возможными взаимные превращения K°«K=0. Т. к. странность в слабом вз-ствии меняется на единицу, то переходы К° «К=° с ?DS?=2 происходят в два этапа (во 2-м порядке по слабому вз-ствию). Наличие таких переходов между ч-цей и античастицей обусловливает уникальные св-ва нейтр. К-м. Для любых других ч-ц подобные переходы запрещены строгими законами сохранения, напр. электрич. или барионного заряда. В вакууме благодаря переходам К«К=0 состояниями, имеющими определённые энергию и время жизни, будут не К° и К=°, а две квантовомеханич. суперпозиции этих состояний, к-рые соответствуют ч-цам с разными массами и разными временами жизни: т. н. д о л г о ж и в у щ е м у К0L-мезону и к о р о т к о ж и в у щ е м у К0S-мезону. Время жизни К" составляет tL»5,18•10-8с, a K0S—tS»0,89•10-10 с. Их массы равны примерно массе К°; разность масс K°L и K0S пропорциональна амплитуде перехода К°«К=° и очень мала (=h/tS»3•10-6 эВ). Осн. способы распада K0S и К0L,

Т. о., в то время как в процессах, вызываемых сильным вз-ствием, проявляются состояния К° и К=°, обладающие определ. значениями странности, в процессах слабого вз-ствия как ч-цы проявляются состояния К0L и К0S. Состояния K0S и К0L близки к суперпозициям состояний, к-рые наз. К01 и К02:

(в (*) через K°S, K°L, К0, К=0 и т. д. обозначены волн. ф-ции соответствующих ч-ц; 1/?2 — нормирующий множитель), т. е. К0S и К0L прибл. на 50% «состоят» из К° и на 50% из К=0. Аналогично К° и К=° прибл. на 50% «состоят» из K0S и на 50% из К0L. Поэтому распады К° и К=° происходят прибл. на 50% по схеме распадов K0S и прибл. на 50% по схеме К0L. То, что состояния К° и К=° представляют суперпозицию состояний К0S и К0L с разными массами и временами жизни, приводит к появлению своеобразных осцилляции («биений»), аналогичных биениям в системе, состоящей из двух связанных между собой маятников, имеющих одинаковые частоты колебаний. Так, К°, возникая в результате сильного вз-ствия, на нек-ром расстоянии от точки рождения частично превращается за счёт слабого вз-ствия в К=° и оказывается способным вызывать яд. реакции, характерные для К=° и запрещённые для К°, напр. реакцию К=0+р®L0+p+. Другое своеобразное явление — т. н. регенерация K0S при прохождении через в-во долгоживущих К0L-мезонов. На достаточно больших расстояниях от места образования пучка К° (или К=°) он состоит практически только из К0L, т. к. короткоживущие К0S распадаются раньше. Поэтому на таких расстояниях наблюдаются лишь распады, характерные для K0L. Казалось бы, K0S не могут вновь появиться в пучке. Однако при прохождении пучка К0L через слой в-ва из-за различия во вз-ствиях с в-вом К° и К=°, «составляющих» K0L, изменяется относит. состав пучка и появляется добавка K0S с характерными для них распадами.

Комбинации К01 и К02 обладают определ. симметрией относительно операции комбинированной инверсии — комбинированной чётностью (или СР-чотностью): у К01 СР=+1, у К02 СР=-1. Поэтому К01 может распадаться на два p (систему, обладающую теми же ев-вами относительно операции СР, что и К01), а К02 не может. Т. к. вероятность распада на дваpзначительно превышает вероятности др. каналов распада, большое различие во временах жизни К0L и К0S считалось указанием на существование в природе симметрии относительно операции комбиниров. инверсии, а состояния K0S и K0L отождествлялись с K01 и К02. Однако в 1964 было установлено, что К0L с вероятностью прибл. 0,2% распадается на два p. Это свидетельствует о нарушении СР-симметрии и об отличии состояний K0S и К0L от K01 и К02. Другое проявление нарушения СP-инвариантности — зарядовая асимметрия распадов K0L®p-+e+(m:+)+v=e(v=m) и К0L®p+ +e-(m-)+v=e(v=m): вероятность первого распада больше, чем второго, прибл. на 10-3. Это означает, что K0L не явл. истинно нейтральной частицей. Природа сил, нарушающих СР-симметрию, не выяснена.