在粒子物理學中，**K介子**（Kaon，標記為  
K  
)）是帶有奇異數這一量子數的四種介子的任一種。在夸克模型中含有一個奇夸克（或其反夸克），及一個上或下夸克的反夸克（或其夸克）。

自從它們在1947年被發現之後，K介子為基礎相互作用的性質提供了大量的資料。在建立粒子物理學標準模型基礎的過程中，它們有着不可或缺的角色，例如強子的夸克模型及夸克混合的理論（後者於2008年被諾貝爾物理學獎肯定）。在人類對基礎守恆定律的了解中，K介子也有着傑出的貢獻：CP破壞（一種造成大家所見的宇宙物質－反物質失衡的現象）的發現在1980年被諾貝爾物理學獎肯定，這種現象就是在K介子系統被發現的。

基本特性
----

圖為一K介子（  
K+  
）變成三個π介子（2   
π+  
， 1   
π−  
）的衰變，這過程涉及了弱與強相互作用。  
  
弱相互作用：K介子內的奇夸克（  
s  
）衰變成一反上夸克（  
u  
），並發射一 W+  
玻色子；隨後  
W+  
玻色子衰變成一反下夸克（  
d  
）及一上夸克（  
u  
）。  
  
強相互作用：一上夸克（  
u  
）發射出一膠子（  
g  
），該膠子隨後衰變成一下夸克（  
d  
）及一反下夸克（  
d  
）。
四種K介子分別為：

1. 帶負電的  
K−  
（含有一個奇夸克及一個反上夸克），質量為6989790941659807829♠493.667±0.013 MeV，平均壽命為6992123840000000000♠(1.2384±0.0024)×10−8 s。
2. 其反粒子，帶正電的  
K+  
（含有一個上夸克及一個反奇夸克）的質量及壽命必須等同於  
K−  
（由於CPT對稱的關係）。兩者質量差為6985512696475839999♠0.032±0.090 MeV，跟零一致。而壽命差則為6991110000000000000♠(0.11±0.09)×10−8 s。
3. 中性（不帶電荷）的  
K0  
（含有一個下夸克及一個反奇夸克），其質量為6989797319924402576♠497.648±0.022 MeV。其均方電荷半徑為3031240000000000000♠−0.076±0.01 fm2。
4. K0  
的反粒子為  
K0  
 （含有一個奇夸克及一個反下夸克），兩者質量一致。

從夸克模型分配可輕易看出，K介子組成兩組同位旋雙重態；也就是說它們屬於SU(2)基礎表示的**2**。奇異數為+1的一組包括  
K+  
及  
K0  
。而它們的反粒子組成另一組雙重態（奇異數為-1）。

K介子特性| 粒子名稱 | 粒子符號 | 反粒子符號 | 內含夸克 | 靜止質量 (MeV/c2) | I | JPC | S | C | B' | 平均壽命 (s) | 一般衰變產物
（>所有衰變的5%） |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| K介子 | K+ | K− | us | 7002493677000000000♠493.677±0.016 | 1⁄2 | 0− | 1 | 0 | 0 | 6992123800000000000♠(1.2380±0.0021)×10−8 | μ+ + νμ or
π+ + π0
π+ + π+ + π− or
π0 + e+ + νe |
| K介子 | K0 | K0 | ds | 7002497614000000000♠497.614±0.024 | 1⁄2 | 0− | 1 | 0 | 0 | [a] | [a] |
| 短命K | K0S | 自身 | {\mathrm {{\tfrac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{{\sqrt {2}}}}}}\,[b] | 7002497614000000000♠497.614±0.024[c] | 1⁄2 | 0− | [d] | 0 | 0 | 6989895300000000000♠(8.953±0.005)×10−11 | π+ + π− or
π0 + π0 |
| 長命K | K0L | 自身 | {\mathrm {{\tfrac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}{{\sqrt {2}}}}}}\,[b] | 7002497614000000000♠497.614±0.024[c] | 1⁄2 | 0− | [d] | 0 | 0 | 6992511599999999999♠(5.116±0.020)×10−8 | π± + e∓ + νe or π± + μ∓ + νμ or
π0 + π0 + π0 or 
π+ + π0 + π− |
|

[a] **^** 強本徵態。沒有確切的壽命。   

[b] **^** 弱本徵態。構成內沒有小ε的CP破壞項。   

[c] **^**   
K0  
L及  
K0  
S的質量於上表上與  
K0  
無異。然而，已知  
K0  
L及  
K0  
S的質量有異，差異的大小尺度為6988350000000000000♠3.5×10−12 MeV/*c*2。  

[d] **^**  由於中性粒子混合的關係，所以  
K0  
L及  
K0  
S並非奇異數的本徵態。

### 衰變

#### 中性K介子

儘管  
K0  
及其反粒子  
K0  
經由強相互作用產生，但是它們經由弱相互作用衰變。因此，在誕生後它們較適合被視為兩個有着相當不同壽命的弱本徵態：

1. 長命的K介子被稱為  
K  
L（K-long，長命K），主要衰變成三個π介子，其平均壽命為6992518000000000000♠5.18×10−8 s。
2. 短命的K介子被稱為  
K  
S（K-short，短命K），主要衰變成兩個π介子，其平均壽命為6989895800000000000♠8.958×10−11 s。

（見下文的中性K介子混合）

雖然其他中性味的介子也有近似的混合情況，但是只有K介子的兩種弱本徵態被視為兩種粒子，因為它們兩者的壽命差異實在很大。

1964年一實驗發現長命K很少會衰變成兩個π介子，這正是發現CP破壞的關鍵之一（見下文）。

#### 帶電荷K介子

  
K+  
的主要衰變模式為：

| 產物 | 模式 | 分支比 |
| --- | --- | --- |
| μ+ νμ | 輕子 | 7001634300000000000♠63.43±0.17% |
| π+ π0 | 重子 | 7001211300000000000♠21.13±0.14% |
| π+ π+ π− | 重子 | 7000557599999999999♠5.576±0.031% |
| π+ π0 π0 | 重子 | 7000173000000000000♠1.73±0.04% |
| π0 e+ νe | 半輕子 | 7000487000000000000♠4.87±0.06% |

奇異數
---

条目：奇異數

> 
> 內量子數"奇異數"的發現，標誌着粒子物理學最令人振奮的時代的開端，即使在五十年後的今天看來，這個時代仍沒有到達終點……總的來說，實驗推動着整個發展，而大發現的到來往往都是出人意表，甚至違反了理論學者所想的預期。  
> 
> —— 《CP破壞》，I·I·比吉與三田一郎著，《ISBN 0-521-44349-0》
> 
> 
> 

在1947年，曼徹斯特大學G·D·羅徹斯特（英语：）和克里福德·查理斯·巴特勒（英语：）發表了兩輻宇宙線引發反應的雲室照片，一輻看起來是一中性粒子衰變成兩個帶電荷的π介子，另一輻看起來是一帶荷的粒子衰變成一帶電荷的π介子及一些中性的東西。新粒子的質量估算相當粗略，約為質子質量的一半。之後這種"V粒子"的個案就慢慢地湧現。

加州理工學院取得最早的突破，他們為了得到更佳的宇宙線接收，而把雲室運上了威爾遜山。在1950年，他們報告了30個帶電荷及4個中性的V粒子。受這個所啟發，往後幾年的很多觀測都在山頂上進行，而1953年之前，所用的詞彙如下："L介子"指的是μ子或π介子。"K介子"指的是質量介乎π介子及核子間的粒子；而"超子"指的質量比核子大的粒子。

K介子與超子的衰變非常慢；一般大小尺度為6990100000000000000♠10−10 s。然而，在π介子－質子反應所生產出的這些粒子的衰變則要快得多，時間大小尺度為6977099999999999999♠10−23 s。這個不協調問題由亞伯拉罕·派斯所解決，他設定了一個新的量子數的叫奇異數，在強相互作用下守恆，但在弱相互作用下則不守恆。由於奇夸克及其反粒子一起的"相伴產生"，所以出現很大量的奇異粒子。奇異數很快就被指出它不是一個乘法量子數，因為如果是的話，奇異數會允許一些未被當時新的同步加速器所觀測到的反應；布魯克哈芬國家實驗室在1953年，勞倫斯伯克利國家實驗室在1955年被委託製作同步加速器。

宇稱不守恆
-----

帶電荷的奇介子有兩種衰變模式：

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
| Θ+ | → | π+ + π0 |
| τ+ | → | π+ + π+ + π− |

由於兩種衰變的終態具有不同的宇稱，所以科學家們認為兩種初態應該為不同種類的粒子，因此是兩種有區別的粒子。但是，在愈來愈準確的測量下，都沒有發現兩者之間的質量與壽命有甚麼差別，由此顯示它們是同一種粒子。這個問題被稱為**τ－Θ問題**。直到發現弱相互作用的宇稱不守恆才被解決。由於介子通過弱相互作用衰變，宇稱並不需要守恆，因此兩種衰變可能由同一種粒子引起，也就是現在的  
K+  
。

中性介子振蕩中的CP破壞
------------

儘管宇稱不守恆，電荷－宇稱對稱在一開始時是被認為是守恆的。要明白CP破壞的發現，就必須明白中性K介子的混合；這個現象的發生並不需要CP破壞，但是就是在這個背景下第一次測量到CP破壞。

### 中性K介子混合

兩種不同的中性K介子，有着不同的奇異數，但就可以通過弱相互作用來互相變換，這是因為弱相互作作用並不守恆奇異數。  
K0  
內的奇夸克變成一下夸克，接着放射出兩個相反電荷的W玻色子。  
K0  
內的反下夸克則通過吸收W玻色子而變成一奇夸克。
由於中性K介子帶有奇異數，它們不能互為對方的反粒子。所以一定有兩種不同的K介子，兩者奇異數的差為兩個單位。問題是如何得知這兩種介子的存在。而答案用到一種現象叫**中性粒子振蕩**，在這種現象中兩種介子會通過弱相互作用互相變換，過種中弱相互作用會導致它們衰變成π介子（見右圖）。

這些振蕩最早由默里·蓋爾曼與亞伯拉罕·派斯共同研究。他們研究過相反奇異數態在CP不變下隨時間的演化。用矩陣形式寫法如下

\psi (t)=U(t)\psi (0)={{\rm {e}}}^{{iHt}}{\begin{pmatrix}a\\b\end{pmatrix}},\qquad H={\begin{pmatrix}M&\Delta \\\Delta &M\end{pmatrix}}
其中ψ為系統的量子態，由兩個基態（在時間t=0時為a及b）的波輻共同決定。哈密頓矩陣對角線上的元（*M*）是守恆奇異數的強相互作用物理所引起的後果。兩個對角線元必須相等，因為在沒有弱相互作用的情況下，粒子與其反粒子的質量相等。不在對角線上的元（Δ），負責混合相反的奇異粒子，它們是由弱相互作用所引起的；CP對稱要求它們全部都是實數。

矩陣*H*為實數的後果是，這兩種態的概率會永恆地來回振蕩。然而，假若矩陣的任何部份為虛數，就像CP對稱所禁止的那樣，那麼整個組合的一部份會隨時間而縮減。縮減的部份可以是一個分量(a)或另一個(b)，或是兩者的混合。

#### 混合

把矩陣對角化後可得本徵態。這樣會產生新的本徵向量，我們可以把它叫做**K1**，它是兩相反奇異數態的總和，而**K2**則是兩態間的差。**K1**及**K2**為**CP**的本徵態，兩者有着相反的本徵量；**K1**的**CP**為+1，而**K2**則為-1。由於二π介子系統的**CP**也是+1，所以**K1**可以這樣衰變。而**K2**則必須衰變成三個π介子。由於**K2**的質量只比三個π介子加起來大一點點，所以衰變過程非常緩慢，大概比**K1**衰變成兩個π介子慢600倍。這兩種不同的衰變模式由利昂·萊德曼及其同事於1956年觀測到，並確立了中性K介子兩個弱本徴態（在弱相互作用下，有着特定衰變壽命的態）的存在。

這兩個弱本徵態被稱為  
K  
L（長命K）及  
K  
S（短命K）。在假定CP對稱的情況下，  
K  
S=**K1**，  
K  
L=**K2**。

#### 振蕩

一初態為  
K0  
的粒子束，會在傳播時變成自己的反粒子，而反粒子又會變回原來的粒子，如此類推。這就是粒子振蕩。在觀測弱相互作用衰變成輕子時，發現  
K0  
總是衰變成電子，而反粒子  
K0  
則總是衰變成正電子。前文的分析提到純  
K0  
及反粒子  
K0  
的粒子源，與電子與正電子生產率的關係。分析這種半輕子衰變的時間演化，可以發現有振蕩現象，並且能夠得悉  
K  
S及  
K  
L間的質譜分裂。由於這是由弱相互作用引起的，質譜分裂非常小，約為每一態質量的10−15倍。

#### 再生

一束中性K介子在飛行中衰變，因此短命的  
K  
S就此消失，剩下一束純  
K  
L。假設這束粒子被射進物質裏，那麼  
K0  
及其反粒子  
K0  
就會與原子核有着不同的相互作用。  
K0  
與核子產生準彈性散射，而反粒子  
K0  
則有可能產生超子。由於兩個部份與核子有着不同的相互作用，兩粒子間失去了原有的量子同調。
不久之後，羅伯特·艾德爾與同事們報告  
K  
S的再生比預期多，就此開啟了歷史的新篇章。

### CP破壞

在核實艾德爾的結果時，布魯克海文國家實驗室的詹姆斯·克羅寧與瓦爾·菲奇於1964年發現  
K  
L衰變成兩個π介子（**CP**=+1）。根據前文的解釋，要上述衰變成立，就必須假設初態及終態的**CP**值不一樣，因此他們馬上提出了CP破壞。其他解釋，例如非線性量子物理及未被觀測到的新粒子，在不久後就被排除，剩下的CP破壞就是唯一的可能性。克羅寧與菲奇因這個發現而於1980年了榮獲諾貝爾物理學獎。

事實上，儘管  
K  
L及  
K  
S為弱本徵態（因為它們有各自不變的衰變平均壽命，而衰變就是由弱相互作用所引起的），但是它們並不太是**CP**本徵態。取而代之的是，在ε很小的情況下（在一個重整化以內），

  
K  
L = **K2** + ε**K1**
而  
K  
S也是相近的情況。因此有些時候  
K  
L 衰變時**CP**=+1，而同樣地  
K  
S 可以有**CP**=-1的衰變。這就是**間接CP破壞**，由  
K0  
 及其反粒子混合所造成的CP破壞。同時有一種**直接CP破壞**，也就是在衰變過程當中的P破壞。因為混合與衰變都是由W玻色子的同一種相互作用所造成，所以存在兩種CP破壞，也是因為這樣才會有CKM矩陣所預測的CP破壞。

另見
--

* 強子、介子、超子及味
* 奇夸克及夸克模型
* 宇稱、電荷共軛、時間反轉對稱、CPT對稱及CP破壞
* 中微子振蕩

註釋及參考來源
-------

註釋

1. ↑  帶正電的K介子從前被分開叫做τ+及θ+，因為直至1960年代前K+一直被視為兩種粒子。見上面的宇稱不守恆

資料來源

1. ↑  C. Amsler *et al*. (2008): （页面存档备份，存于） （页面存档备份，存于） （页面存档备份，存于） （页面存档备份，存于） Particle listings –   
K±  
 （页面存档备份，存于）
2. ↑  C. Amsler *et al*. (2008): （页面存档备份，存于） （页面存档备份，存于） （页面存档备份，存于） （页面存档备份，存于） Particle listings –   
K0  
 （页面存档备份，存于）
3. ↑  C. Amsler *et al*. (2008): （页面存档备份，存于） （页面存档备份，存于） （页面存档备份，存于） （页面存档备份，存于） Particle listings –   
K0  
S （页面存档备份，存于）
4. 1 2  C. Amsler *et al*. (2008): （页面存档备份，存于） （页面存档备份，存于） （页面存档备份，存于） （页面存档备份，存于） Particle listings –   
K0  
L （页面存档备份，存于）
5. ↑  J.W. Cronin.  (PDF). Nobel Lecture. The Nobel Foundation. 1980  [2011-07-07]. （原始内容存档 (PDF)于2017-08-10）.

### 參考文獻

* C.Amsler; Doser, M; Antonelli, M; Asner, D; Babu, K; Baer, H; Band, H; Barnett, R; Bergren, E; et al.. Physics Letters B (Particle Data Group). 2008, **667** (1): 1–1340. Bibcode:2008PhLB..667....1P. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018.  引文格式1维护：显式使用等标签 (link)
* S. Eidelman; et al.. Particle Data Group. 2004  [2011-07-07]. （原始内容存档于2021-05-08）.  引文格式1维护：显式使用等标签 (link)

S. Eidelman *et al*. (Particle Data Group).. Physics Letters B. 2004, **592** (1): 1. Bibcode:2004PhLB..592....1P. arXiv:astro-ph/0406663 可免费查阅. doi:10.1016/j.physletb.2004.06.001. 
* *The quark model*, by J.J.J. Kokkedee
* M.S. Sozzi.. Oxford University Press. 2008. ISBN 978-0-19-929666-8.
* I.I. Bigi, A.I. Sanda.. Cambridge University Press. 2000. ISBN 0-521-44349-0.
* D.J. Griffiths.. John Wiley & Sons. 1987. ISBN 0-471-60386-4.

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| 

| * 
* 论
* 编
粒子物理學 |
| --- |
|  |
| 基本粒子 | 

|  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 费米子 | 

|  |  |
| --- | --- |
| **夸克** | 
* u
* u
* d
* d
* c
* c
* s
* s
* t
* t
* b
* b

 |

|  |  |
| --- | --- |
| **輕子** | 
* e-
* e+
* μ-
* μ+
* τ-
* τ+
* νe
* ve
* νμ
* vμ
* ντ
* vτ

 |

 |
|  |
| 玻色子 | 

|  |  |
| --- | --- |
| **标量玻色子** | 
* H

 |

|  |  |
| --- | --- |
| **规范玻色子** | 
* γ
* g
* W±
* Z0

 |

 |

 |
|  |
| 复合粒子 | 

|  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 强子 | 

|  |  |
| --- | --- |
| **重子** | 
* Δ
* 核子
	+ p
	+ p
	+ n
	+ n
* 超子
	+ Λ
	+ Σ
	+ Ξ
	+ Ω

 |

|  |  |
| --- | --- |
| **介子** | 
* π
* K
* ρ
* J/ψ
* ϒ
* D
* B
* 未发现介子
	+ θ
	+ T
* 夸克偶素

 |

 |
|  |
| 其它 | 
* **原子核**
* **原子**
* **超原子**
* **奇異原子**
	+ 电子偶素
	+ 緲子偶素
	+ 真緲子偶素
	+ 介子偶素（英语：）
	+ 介子原子
	+ 超子原子
	+ 反氫
	+ 介子核
	+ 超核
	+ 重味超核
* **分子**
* 离子

 |

 |
|  |
| 假想的基本粒子 | 

|  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 超對稱粒子 | 

|  |  |
| --- | --- |
| **超規範子** | 
* 超膠子
* 超引力子
* 超光子
* 超荷子
* 超中性子

 |

|  |  |
| --- | --- |
| **其他** | 
* 超希格斯粒子
* 超費米子
* 超軸子
* 超胀子

 |

 |
|  |
| 其它 | 
* 任意子
* 胀子
* 加速子
* 快子
* A0
* G
* m
* X
* Y
* W'（英语：）
* Z'（英语：）
* 普朗克粒子
* 马约拉纳粒子
* 鬼
* 斯格明子
* 惰性中微子
* 大质量弱相互作用粒子（WIMP）

 |

 |
|  |
| 假想的复合粒子 | 

|  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 奇異強子 | 

|  |  |
| --- | --- |
| **奇異重子** | 
* 五夸克態
* 七夸克态
* R-重子

 |

|  |  |
| --- | --- |
| **奇異介子** | 
* 四夸克态
* 六夸克态（雙重子態）
* 膠球
* 混杂态

 |

 |
|  |
| 其它 | 
* 介子分子（英语：）
* 坡密子
* 奇数子（英语：）
* 双夸克（英语：）

 |

 |
|  |
| 準粒子 | 
* 達維多夫孤子（英语：）
* 量子滴（英语：）
* 激子
* 空穴
* 磁振子
* 聲子
* 磁单极子
* 電漿子
* 電磁極化子
* 極子
* 旋子（英语：）

 |
|  |
| 列表 | 
* 粒子列表
* 奇异原子列表
* 准粒子列表
* 介子列表
* 重子列表
* 粒子发现年表

 |
|  |
| 主题 **物理学主题** |

 |