Composición | K+ : tu s
K- : s tu |
---|---|
Estadísticas | Bosónico |
Familia | Mesones |
Interacciones | Fuerte , débil , electromagnético , gravitacional |
Símbolo | K+ , K0 , K- |
Antipartícula | K+ : K-
K- : K+ |
Descubierto | 1947 |
Tipos | 4 |
Masa | K± : 493,677 ± 0,016 MeV / c 2 K0 : 497,611 ± 0,013 MeV / c 2 |
Vida media | K± : (1,2380 ± 0,0020) × 10 −8 s K S: (8,954 ± 0,004) × 10 −11 s K L: (5,116 ± 0,021) × 10 −8 s |
Carga eléctrica | K± : ± 1 e K0 : 0 e |
Vuelta | 0 |
Extrañeza | K+ , K0 : +1 K- , K0 : -1 |
Paridad | -1 |
En la física de partículas , un kaón ( / k eɪ . Ɒ n / ), también llamado un mesón K y denotado
K
, [a] es cualquiera de un grupo de cuatro mesones que se distingue por un número cuántico llamado extrañeza . En el modelo de quark se entiende que son estados ligados de un quark extraño (o antiquark) y un antiquark hacia arriba o hacia abajo (o quark).
Los kaons han demostrado ser una abundante fuente de información sobre la naturaleza de las interacciones fundamentales desde su descubrimiento en los rayos cósmicos en 1947. Fueron esenciales para establecer las bases del Modelo Estándar de la física de partículas, como el modelo de quarks de los hadrones y la teoría de la mezcla de quarks (este último fue reconocido por un Premio Nobel de Física en 2008). Kaons ha jugado un papel destacado en nuestra comprensión de las leyes fundamentales de conservación : violación de CP, un fenómeno que genera la asimetría materia-antimateria observada del universo, fue descubierto en el sistema kaon en 1964 (que fue reconocido por un premio Nobel en 1980). Además, la violación directa de CP se descubrió en las desintegraciones de kaon a principios de la década de 2000 mediante el experimento NA48 en el CERN y el experimento KTeV en Fermilab .
Los cuatro kaones son:
Como muestra el modelo de quarks , asignaciones de que los kaones forman dos dobletes de isospín ; es decir, pertenecen a la representación fundamental de SU (2) denominada 2 . Un doblete de extrañeza +1 contiene el
K+
y el
K0
. Las antipartículas forman el otro doblete (de extrañeza -1).
Nombre de la partícula | Símbolo de partículas | Símbolo de antipartícula | Contenido de Quark | Masa en reposo ( MeV / c 2 ) | Yo G | J P C | S | C | B' | Vida media ( s ) | Comúnmente se desintegra a (> 5% de las desintegraciones) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Kaon [1] | K+ | K- | tus | 493,677 ± 0,016 | 1 ⁄ 2 | 0 - | 1 | 0 | 0 | (1,2380 ± 0,0020) × 10 −8 | μ+ + νμ o π+ + π0 o π+ + π+ + π- o π0 + mi+ + νmi |
Kaon [2] | K0 | K0 | Ds | 497,611 ± 0,013 | 1 ⁄ 2 | 0 - | 1 | 0 | 0 | [§] | [§] |
K-Short [3] | K0 S | Uno mismo | [†] | 497,611 ± 0,013 [‡] | 1 ⁄ 2 | 0 - | [*] | 0 | 0 | (8,954 ± 0,004) × 10 −11 | π+ + π- o π0 + π0 |
K-Long [4] | K0 L | Uno mismo | [†] | 497,611 ± 0,013 [‡] | 1 ⁄ 2 | 0 - | [*] | 0 | 0 | (5,116 ± 0,021) × 10 −8 | π± + mi∓ + νmi o π± + μ∓ + νμ o π0 + π0 + π0 o π+ + π0 + π- |
[*] Ver Notas sobre kaones neutros en el artículo Lista de mesones y mezcla de kaones neutros , a continuación.
[§] ^ Eigenstate fuerte . Sin vida útil definida (ver mezcla de kaon neutro ). [†] ^ Débil eigenstate . Al maquillaje le falta un término pequeño que viola el CP (ver mezcla de kaones neutros ). [‡] ^ La masa del
K0
L y
K0
S se dan como los de la
K0
. Sin embargo, se sabe que una diferencia relativamente pequeña entre las masas del
K0
L y
K0
S del orden de Existe 3,5 × 10 −6 eV / c 2 . [4]
Aunque el
K0
y su antipartícula
K0
generalmente se producen a través de la fuerza fuerte , se descomponen débilmente . Por lo tanto, una vez creados, es mejor pensar en los dos como superposiciones de dos estados propios débiles que tienen vidas muy diferentes:
( Consulte la discusión sobre la mezcla de kaones neutros a continuación ) .
Una observación experimental hecha en 1964 de que los K-long rara vez se descomponen en dos piones fue el descubrimiento de la violación de CP (ver más abajo).
Modos de decaimiento principales para
K+
:
Resultados | Modo | Relación de ramificación |
---|---|---|
μ+ ν μ | leptónico | 63,55 ± 0,11% |
π+ π0 | hadrónico | 20,66 ± 0,08% |
π+ π+ π- | hadrónico | 5,59 ± 0,04% |
π+ π0 π0 | hadrónico | 1,761 ± 0,022% |
π0 mi+ ν mi | semileptónico | 5,07 ± 0,04% |
π0 μ+ ν μ | semileptónico | 3,353 ± 0,034% |
Modos de decaimiento para el
K-
son conjugados de carga de los anteriores.
Se encontraron dos desintegraciones diferentes para mesones extraños cargados:
Θ+ | → | π+ + π0 |
τ+ | → | π+ + π+ + π- |
La paridad intrínseca de un pión es P = -1, y la paridad es un número cuántico multiplicativo. Por lo tanto, los dos estados finales tienen una paridad diferente (P = +1 y P = −1, respectivamente). Se pensó que los estados iniciales también deberían tener diferentes paridades y, por lo tanto, ser dos partículas distintas. Sin embargo, con mediciones cada vez más precisas, no se encontraron diferencias entre las masas y la vida útil de cada uno, respectivamente, lo que indica que son la misma partícula. Esto se conocía como el rompecabezas τ – θ . Solo se resolvió mediante el descubrimiento de una violación de la paridad en interacciones débiles . Dado que los mesones se desintegran a través de interacciones débiles, la paridad no se conserva y las dos desintegraciones son en realidad desintegraciones de la misma partícula, [5] ahora llamado el
K+
.
El descubrimiento de hadrones con el número cuántico interno "extrañeza" marca el comienzo de una época muy emocionante en la física de partículas que incluso ahora, cincuenta años después, aún no ha llegado a su conclusión ... en general, grandes experimentos han impulsado el desarrollo, y que los principales descubrimientos se produjeron de forma inesperada o incluso en contra de las expectativas expresadas por los teóricos. - II Bigi y AI Sanda, violación CP , ( ISBN 0-521-44349-0 )
Mientras buscaba el hipotético mesón nuclear , Louis Leprince-Ringuet descubrió una partícula más pesada cargada positivamente en 1944. [6] [7]
En 1947, GD Rochester y Clifford Charles Butler de la Universidad de Manchester publicaron dos fotografías de cámaras de niebla de eventos inducidos por rayos cósmicos , una que mostraba lo que parecía ser una partícula neutra que se descomponía en dos piones cargados, y otra que parecía ser una partícula cargada. decayendo en un pión cargado y algo neutral. La masa estimada de las nuevas partículas era muy aproximada, aproximadamente la mitad de la masa de un protón. Más ejemplos de estas "partículas V" tardaron en llegar.
En 1949, Rosemary Brown (más tarde Rosemary Fowler), una estudiante de investigación en el grupo de Bristol de CF Powell, vio su pista 'k', hecha por una partícula de masa muy similar que se descompuso en tres piones. [8] Esto condujo al llamado problema 'Tau-Theta': lo que parecían ser las mismas partículas (ahora llamadas
K+
) decayó en dos modos diferentes, Theta a dos piones (paridad +1), Tau a tres piones (paridad -1). [9] La solución a este rompecabezas resultó ser que las interacciones débiles no conservan la paridad .
El primer avance se obtuvo en Caltech , donde se tomó una cámara de niebla en el monte Wilson , para una mayor exposición a los rayos cósmicos. En 1950, se informaron 30 partículas V cargadas y 4 neutras. Inspirado por esto, se hicieron numerosas observaciones en la cima de las montañas durante los siguientes años, y en 1953, se adoptó la siguiente terminología: "L-mesón" significa muón o pión . "Mesón K" significaba una partícula de masa intermedia entre el pión y el nucleón .
Leprince-Rinquet acuñó el término " hiperón " para referirse a cualquier partícula más pesada que un nucleón. [6] [7] La partícula de Leprince-Ringuet resultó ser el mesón K + . [6] [7]
Las desintegraciones fueron extremadamente lentas; las vidas típicas son del orden de10 −10 s . Sin embargo, la producción de reacciones pión - protón avanza mucho más rápido, con una escala de tiempo de10 −23 s . El problema de este desajuste fue resuelto por Abraham Pais, quien postuló el nuevo número cuántico llamado " extrañeza " que se conserva en las interacciones fuertes pero violado por las interacciones débiles . Las partículas extrañas aparecen copiosamente debido a la "producción asociada" de una partícula extraña y una antiextraño juntas. Pronto se demostró que este no podía ser un número cuántico multiplicativo , porque permitiría reacciones que nunca se vieron en los nuevos sincrotrones que se encargaron en el Laboratorio Nacional Brookhaven en 1953 y en el Laboratorio Lawrence Berkeley. en 1955.
Inicialmente se pensó que, si bien la paridad fue violada, CP (paridad de carga) simetría se conserva. Para comprender el descubrimiento de la violación de CP , es necesario comprender la mezcla de kaones neutrales; este fenómeno no requiere la violación del CP, pero es el contexto en el que se observó por primera vez la violación del CP.
Dado que los kaones neutrales son extraños, no pueden ser sus propias antipartículas. Entonces debe haber dos kaones neutros diferentes, que se diferencian en dos unidades de extrañeza. La pregunta era entonces cómo establecer la presencia de estos dos mesones. La solución utilizó un fenómeno llamado oscilaciones de partículas neutras , por el cual estos dos tipos de mesones pueden pasar de uno a otro a través de interacciones débiles, lo que hace que se descompongan en piones (ver la figura adyacente).
Estas oscilaciones fueron investigadas por primera vez por Murray Gell-Mann y Abraham Pais juntos. Consideraron la evolución temporal invariante de CP de estados con extrañeza opuesta. En notación matricial se puede escribir
donde ψ es un estado cuántico del sistema especificado por las amplitudes de estar en cada uno de los dos estados de la base (que son una y b en el momento t = 0). Los elementos diagonales ( M ) del hamiltoniano se deben a una fuerte interacción física que conserva la extrañeza. Los dos elementos diagonales deben ser iguales, ya que la partícula y la antipartícula tienen masas iguales en ausencia de interacciones débiles. Los elementos fuera de la diagonal, que mezclan partículas extrañas opuestas, se deben a interacciones débiles ; La simetría CP requiere que sean reales.
La consecuencia de que la matriz H sea real es que las probabilidades de los dos estados oscilarán para siempre hacia adelante y hacia atrás. Sin embargo, si alguna parte de la matriz fuera imaginaria, como lo prohíbe la simetría 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 los dos.
Los autoestados se obtienen diagonalizando esta matriz. Esto da nuevos vectores propios, que podemos llamar K 1, que es la suma de los dos estados de extrañeza opuesta, y K 2 , que es la diferencia. Los dos 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 el K 1 puede decaer de esta manera. El K 2 debe descomponerse en tres piones. Dado que la masa de K 2es solo un poco más grande que la suma de las masas de tres piones, esta desintegración procede muy lentamente, unas 600 veces más lenta que la desintegración de K 1 en dos piones. Estos dos modos diferentes de desintegración fueron observados por Leon Lederman y sus colaboradores en 1956, estableciendo la existencia de los dos estados propios débiles (estados con vidas definidas bajo desintegraciones a través de la fuerza débil ) de los kaones neutrales.
Estos dos estados propios débiles se denominan
K
L (K-long) y
K
S(K-corto). La simetría CP , que se asumió en ese momento, implica que
K
S = K 1 y
K
L = K 2 .
Un rayo inicialmente puro de
K0
se convertirá en su antipartícula,
K0
, mientras se propaga, que volverá a convertirse en la partícula original,
K0
, etcétera. A esto se le llama oscilación de partículas. Al observar la desintegración débil en leptones , se encontró que un
K0
siempre decayó en un positrón, mientras que la antipartícula
K0
decayó en el electrón. El análisis anterior arrojó una relación entre la tasa de producción de electrones y positrones a partir de fuentes de
K0
y su antipartícula
K0
. El análisis de la dependencia del tiempo de esta desintegración semileptónica mostró el fenómeno de oscilación y permitió la extracción de la masa dividida entre los
K
S y
K
L. Puesto que esto es debido a las interacciones débiles que es muy pequeña, 10 -15 veces la masa de cada estado, a saber? M K = M (K L ) -M (K S ) = 3,484 (6) × 10 -12 MeV. [10]
Un rayo de kaones neutrales se desintegra en vuelo, de modo que el efímero
K
S desaparece, dejando un rayo de pura larga vida
K
L. Si este rayo se dispara a la materia, entonces el
K0
y su antipartícula
K0
interactuar de manera diferente con los núcleos. El
K0
sufre una dispersión casi elástica con nucleones , mientras que su antipartícula puede crear hiperones . Debido a las diferentes interacciones de los dos componentes, se pierde la coherencia cuántica entre las dos partículas. El haz emergente contiene entonces diferentes superposiciones lineales de la
K0
y
K0
. Tal superposición es una mezcla de
K
L y
K
S; la
K
Sse regenera pasando un rayo de kaon neutro a través de la materia. [11] La regeneración fue observada por Oreste Piccioni y sus colaboradores en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . [12] Poco después, Robert Adair y sus compañeros de trabajo informaron exceso
K
S regeneración, abriendo así un nuevo capítulo en esta historia.
Al intentar verificar los resultados de Adair, J. Christenson, James Cronin , Val Fitch y Rene Turlay de la Universidad de Princeton encontraron desintegraciones de
K
Len dos piones ( CP = +1) en un experimento realizado en 1964 en el Sincrotrón de gradiente alterno en el laboratorio de Brookhaven . [13] Como se explicó en una sección anterior , esto requería que los supuestos estados inicial y final tuvieran diferentes valores de CP , y por lo tanto sugirió inmediatamente una violación de CP . Pronto se descartaron explicaciones alternativas como la mecánica cuántica no lineal y una nueva partícula no observada, dejando la violación de CP como la única posibilidad. Cronin y Fitch recibieron el Premio Nobel de Física por este descubrimiento en 1980.
Resulta que aunque el
K
L y
K
Sson autoestados débiles (porque tienen vidas definidas para la descomposición por medio de la fuerza débil), no son exactamente autoestados CP . En cambio, para ε pequeño (y hasta la normalización),
y de manera similar para
K
S. Así, de vez en cuando
K
Ldecae como un K 1 con CP = +1, e igualmente el
K
Spuede decaer con CP = −1. Esto se conoce como violación de CP indirecta , violación de CP debido a la mezcla de
K0
y su antipartícula. También hay un efecto directo de violación de CP , en el que la violación de CP ocurre durante la descomposición en sí. Ambos están presentes, porque tanto la mezcla como la desintegración surgen de la misma interacción con el bosón W y, por lo tanto, la matriz CKM predice una violación de CP . La violación directa de CP se descubrió en las desintegraciones de kaon a principios de la década de 2000 por los experimentos NA48 y KTeV en CERN y Fermilab. [ cita requerida ]
Una forma de salir de la dificultad es asumir que la paridad no se conserva estrictamente, de modo que
Θ+
y
τ+
son dos modos de desintegración diferentes de la misma partícula, que necesariamente tiene un solo valor de masa y una sola vida útil.
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