K介子

title: 基本特性.
content: 四种K介子分别为: 从夸克模型分配可轻易看出,K介子组成两组同位旋双重态;也就是说它们属于SU(2)基础表示的2。奇异数为+1的一组包括及。而它们的反粒子组成另一组双重态(奇异数为-1)。
title: 衰变.
title: 中性K介子.
content: 尽管及其反粒子经由强相互作用产生,但是它们经由弱相互作用衰变。因此,在诞生后它们较适合被视为两个有着相当不同寿命的弱本征态: (见下文的中性K介子混合)  虽然其他中性味的介子也有近似的混合情况,但是只有K介子的两种弱本征态被视为两种粒子,因为它们两者的寿命差异实在很大。  1964年一实验发现长命K很少会衰变成两个π介子,这正是发现CP破坏的关键之一(见下文)。
title: 带电荷K介子.
content: 的主要衰变模式为:
title: 奇异数.
content: 内量子数“奇异数”的发现,标志着粒子物理学最令人振奋的时代的开端,即使在五十年后的今天看来,这个时代仍没有到达终点......总的来说,实验推动着整个发展,而大发现的到来往往都是出人意表,甚至违反了理论学者所想的预期。<br> —— 《CP破坏》,I·I·比吉与三田一郎著,《ISBN 0-521-44349-0》 在1947年,曼彻斯特大学G·D·罗彻斯特和克里福德·查理斯·巴特勒发表了两辐宇宙线引发反应的云室照片,一辐看起来是一中性粒子衰变成两个带电荷的π介子,另一辐看起来是一带荷的粒子衰变成一带电荷的π介子及一些中性的东西。新粒子的质量估算相当粗略,约为质子质量的一半。之后这种“V粒子”的个案就慢慢地涌现。  加州理工学院取得最早的突破,他们为了得到更佳的宇宙线接收,而把云室运上了威尔逊山。在1950年,他们报告了30个带电荷及4个中性的V粒子。受这个所启发,往后几年的很多观测都在山顶上进行,而1953年之前,所用的词汇如下:“L介子”指的是μ子或π介子。“K介子”指的是质量介乎π介子及核子间的粒子;而“超子”指的质量比核子大的粒子。  K介子与超子的衰变非常慢;一般大小尺度为。然而,在π介子-质子反应所生产出的这些粒子的衰变则要快得多,时间大小尺度为。这个不协调问题由亚伯拉罕·派斯所解决,他设定了一个新的量子数的叫奇异数,在强相互作用下守恒,但在弱相互作用下则不守恒。由于奇夸克及其反粒子一起的“相伴产生”,所以出现很大量的奇异粒子。奇异数很快就被指出它不是一个乘法量子数,因为如果是的话,奇异数会允许一些未被当时新的同步加速器所观测到的反应;布鲁克哈芬国家实验室在1953年,劳伦斯伯克利国家实验室在1955年被委托制作同步加速器。
title: 宇称不守恒.
content: 带电荷的奇介子有两种衰变模式: 由于两种衰变的终态具有不同的宇称,所以科学家们认为两种初态应该为不同种类的粒子,因此是两种有区别的粒子。但是,在愈来愈准确的测量下,都没有发现两者之间的质量与寿命有什么差别,由此显示它们是同一种粒子。这个问题被称为τ-Θ问题。直到发现弱相互作用的宇称不守恒才被解决。由于介子通过弱相互作用衰变,宇称并不需要守恒,因此两种衰变可能由同一种粒子引起,也就是现在的。
title: 中性介子振荡中的CP破坏.
content: 尽管宇称不守恒,电荷-宇称对称在一开始时是被认为是守恒的。要明白CP破坏的发现,就必须明白中性K介子的混合;这个现象的发生并不需要CP破坏,但是就是在这个背景下第一次测量到CP破坏。
title: 中性K介子混合.
content: 由于中性K介子带有奇异数,它们不能互为对方的反粒子。所以一定有两种不同的K介子,两者奇异数的差为两个单位。问题是如何得知这两种介子的存在。而答案用到一种现象叫中性粒子振荡,在这种现象中两种介子会通过弱相互作用互相变换,过种中弱相互作用会导致它们衰变成π介子(见右图)。  这些振荡最早由默里·盖尔曼与亚伯拉罕·派斯共同研究。他们研究过相反奇异数态在CP不变下随时间的演化。用矩阵形式写法如下 其中ψ为系统的量子态,由两个基态(在时间t=0时为a及b)的波辐共同决定。哈密顿矩阵对角线上的元("M")是守恒奇异数的强相互作用物理所引起的后果。两个对角线元必须相等,因为在没有弱相互作用的情况下,粒子与其反粒子的质量相等。不在对角线上的元(Δ),负责混合相反的奇异粒子,它们是由弱相互作用所引起的;CP对称要求它们全部都是实数。  矩阵"H"为实数的后果是,这两种态的概率会永恒地来回振荡。然而,假若矩阵的任何部分为虚数,就像CP对称所禁止的那样,那么整个组合的一部分会随时间而缩减。缩减的部分可以是一个分量(a)或另一个(b),或是两者的混合。
title: 混合.
content: 把矩阵对角化后可得本征态。这样会产生新的本征向量,我们可以把它叫做K,它是两相反奇异数态的总和,而K则是两态间的差。K及K为CP的本征态,两者有着相反的本征量;K的CP为+1,而K则为-1。由于二π介子系统的CP也是+1,所以K可以这样衰变。而K则必须衰变成三个π介子。由于K的质量只比三个π介子加起来大一点点,所以衰变过程非常缓慢,大概比K衰变成两个π介子慢600倍。这两种不同的衰变模式由利昂·莱德曼及其同事于1956年观测到,并确立了中性K介子两个弱本徴态(在弱相互作用下,有着特定衰变寿命的态)的存在。  这两个弱本征态被称为(长命K)及(短命K)。在假定CP对称的情况下,=K,=K。
title: 振荡.
content: 一初态为的粒子束,会在传播时变成自己的反粒子,而反粒子又会变回原来的粒子,如此类推。这就是粒子振荡。在观测弱相互作用衰变成轻子时,发现总是衰变成电子,而反粒子则总是衰变成正电子。前文的分析提到纯及反粒子的粒子源,与电子与正电子生产率的关系。分析这种半轻子衰变的时间演化,可以发现有振荡现象,并且能够得悉及间的质谱分裂。由于这是由弱相互作用引起的,质谱分裂非常小,约为每一态质量的10倍。
title: 再生.
content: 一束中性K介子在飞行中衰变,因此短命的就此消失,剩下一束纯。假设这束粒子被射进物质里,那么及其反粒子就会与原子核有着不同的相互作用。与核子产生准弹性散射,而反粒子则有可能产生超子。由于两个部分与核子有着不同的相互作用,两粒子间失去了原有的量子同调。 不久之后,罗伯特·艾德尔与同事们报告的再生比预期多,就此开启了历史的新篇章。
title: CP破坏.
content: 在核实艾德尔的结果时,布鲁克海文国家实验室的詹姆斯·克罗宁与瓦尔·菲奇于1964年发现衰变成两个π介子(CP=+1)。根据前文的解释,要上述衰变成立,就必须假设初态及终态的CP值不一样,因此他们马上提出了CP破坏。其他解释,例如非线性量子物理及未被观测到的新粒子,在不久后就被排除,剩下的CP破坏就是唯一的可能性。克罗宁与菲奇因这个发现而于1980年了荣获诺贝尔物理学奖。  事实上,尽管及为弱本征态(因为它们有各自不变的衰变平均寿命,而衰变就是由弱相互作用所引起的),但是它们并不太是CP本征态。取而代之的是,在ε很小的情况下(在一个重整化以内),  而也是相近的情况。因此有些时候 衰变时CP=+1,而同样地 可以有CP=-1的衰变。这就是间接CP破坏,由 及其反粒子混合所造成的CP破坏。同时有一种直接CP破坏,也就是在衰变过程当中的P破坏。因为混合与衰变都是由W玻色子的同一种相互作用所造成,所以存在两种CP破坏,也是因为这样才会有CKM矩阵所预测的CP破坏。

Summary: 在粒子物理学中,K介子(Kaon,标记为))是带有奇异数这一量子数的四种介子的任一种。在夸克模型中,我们知道它们含有一个奇夸克(或其反夸克),及一个上或下夸克的反夸克(或其夸克)。

Kaon: Un kaon est une particule (notée K) de la famille des mésons caractérisée par un nombre quantique appelé étrangeté et noté "S". Les mésons étant constitués d'un nombre pair de quarks et d'antiquarks, les kaons contiennent un quark s ou un antiquark s combiné avec un quark/antiquark parmi u ou d (resp. u ou d).