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)。