каоны, группа нестабильных элементарных частиц, в которую входят две заряженные (К+, К-) и две нейтральные (К0, ) частицы с нулевым спином и массой приблизительно в 970 раз большей, чем масса электрона. К.-м. участвуют в сильных взаимодействиях , т. е. являются адронами; они не имеют барионного заряда и обладают отличным от нуля значением квантового числа странности ( S ) , характеризующей их поведение в процессах, обусловленных сильным взаимодействием: у К+ и К| S+1, а у К- и (являющихся античастицами К+, К|) S -1. Совместно с гиперонами 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. Изотопическая инвариантность )и рассматриваются как различные зарядовые состояния одной и той же частицы с изотопическим спином 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+ , p0, p-)и h0-мезоном входят в одну группу (октет) частиц, приблизительно одинаково участвующих в сильных взаимодействиях.
Открытие К-мезонов связано с работами большого числа учёных в различных странах. В 1947-51 в космических лучах 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|+ n
p|+ p0
p|+ p-+ p+
p|+p0+p0
m|+p0+ n
e|+p0+ n
e|+ n
64
21
5,57
1,70
3,18
4,85
1,2-10-5
К0
498
+1
-1
Распады на ~50% по схеме K0S и на ~50% по схеме и на K0L (см. табл. 2) .
Табл. 2.- Основные способы распада K0S и K0L
Частица
Масса м
Время жизни t ( сек )
Способы распада
Вероятность распада (в % )
K0S
'mK0
0,86-10-10
p++ p-
p0+p0
68,7
31,3
K0L
'mK0
Разность масс:
m KL - m Ks ' 3-10-6 эв
5,4-10-8
p0+p0+p0
p++p-+p0
p|+m|+ n
p|+e|+ n
p++ p-
p0+p0
g+ 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 пи-мезона , t-мезоны, распадающиеся на три p-мезона, и др. Значит. прогресс в изучении этих частиц начался с 1954, когда их удалось получать с помощью ускорителей заряженных частиц . 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. Элементарные частицы ) . Изучение распадов К-м. дало первые сведения о несохранении в слабых взаимодействиях пространственной и зарядовой чётности, а также о нарушении комбинированной чётности (см. Чётность , Зарядовое сопряжение , Комбинированная инверсия ) .
Сильные взаимодействия К-мезонов. Наличие у К-м. отличной от нуля странности S накладывает (из-за сохранения S в сильных взаимодействиях) характерный отпечаток на процессы сильных взаимодействий с участием К-м. Так, К+ и К0, 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. Гипероны ) .
Поскольку все гипероны имеют отрицательную странность, они легче рождаются в процессах, вызванных К- и , чем в процессах, вызванных К+ и К0. Например, возможна реакция + р - L0 + p+ , тогда как реакция К0 + р - L0 + p+ запрещена законом сохранения странности в сильных взаимодействиях (здесь р - протон, L0 - гиперон). Рождение гиперонов в пучках К+, К0 менее вероятно, т.к. оно требует появления совместно с гипероном нескольких дополнительных К+ или К0.
Поэтому медленные К+, К0 слабее 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. Отбора правила ) . 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 К0- 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 K0 Û . 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 лептонного заряда для переходов нейтрино - антинейтрино).
В вакууме благодаря переходам K0 Û состояниями, имеющими определённую энергию и время жизни, будут не К0 и , а две квантово-механических суперпозиции этих состояний. Эти суперпозиции соответствуют частицам с различными массами и различными временами жизни: долгоживущему K0L- и короткоживущему K0S-meзонам. Разность масс K0S и K0L обусловлена слабым взаимодействием, вызывающим переходы K0 Û , и весьма мала. Время жизни и способы распада K0S и K0L указаны в.
Таким образом, в то время как в процессах, вызываемых сильным взаимодействием, проявляются состояния К0 и , обладающие определёнными значениями странности (сохраняющейся в сильном взаимодействии), в процессах слабого взаимодействия (в распадах) проявляются как частицы состояния K0L и K0S. Состояния K0L и K0S близки к суперпозициям состояний, которые называют K01 и K02:
K0s ' K01 ,
K0L ' K02 ,
т. е. K0L и K0S приблизительно на 50% 'состоят' из К0 и на 50% - из . Аналогичным образом можно утверждать, что К0 и приблизительно на 50% 'состоят' из K0S и на 50% - из K0L тот факт, что состояния К0 и представляют суперпозицию двух состояний K0L и K0S разными массами и временами жизни, приводит к появлению своеобразных осцилляций ('биений'): К0, 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 К0, например реакцию + р - L0 + p+ (эффект Пайса - Пиччони). Др. своеобразное явление - так называемая регенерация короткоживущих K0S-meзонов при прохождении через вещество долгоживущих K0L-meзонов: на достаточно больших расстояниях от места образования пучка К0 (или ) пучок состоит практически только из долгоживущих K0L, т.к. короткоживущие K0S распадаются раньше. Поэтому на таких расстояниях наблюдаются лишь распады, характерные для K0L (). Казалось бы, K0S не могут вновь появиться в пучке. Однако если пучок K0L пропустить через слой вещества, то из-за различия во взаимодействиях с веществом К0 и , составляющих K0L, изменяется относительный состав пучка и в пучке K0L появляется добавка K0S с характерными для K0S распадами.
Комбинации K01 и К02 обладают 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 K01, остаётся неизменной, а волновая функция К02 меняет знак. Поэтому состояние K01 может распадаться на 2p (систему, обладающую теми же свойствами относительно операции СР, что и K01), a K02 не 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 K0L и K0S отождествлялись с K01 и К02. 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 K0L и K0S от K01 и К02. Природа сил, нарушающих СР-симметрию, ещё не выяснена. Имеющиеся эксперимент. данные не противоречат возможности существования в природе особого 'сверхслабого' взаимодействия, нарушающего симметрию СР и 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.