каоны, группа нестабильных элементарных частиц, в которую входят две заряженные (К
+, К
-) и две нейтральные (К
0,
) частицы с нулевым
Спином и массой приблизительно в 970 раз большей, чем масса электрона. К.-м. участвуют в сильных взаимодействиях (См.
Сильные взаимодействия)
, т. е. являются адронами; они не имеют барионного заряда (См.
Барионный заряд) и обладают отличным от нуля значением квантового числа странности (См.
Странность)
(
S)
, характеризующей их поведение в процессах, обусловленных сильным взаимодействием: у К
+ и К° S=+1, а у К
- и
(являющихся античастицами (См.
Античастицы) К
+, К°)
S = -1. Совместно с гиперонами (См.
Гипероны) К.-м. образуют группу так называемых странных частиц (частиц, для которых S ≠ 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 (См.
Изотопический спин)
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 π-мезонами (π
+, π
0, π
-)
и η
0-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 (См.
Космические лучи) 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 τ: | Способы | Вероятность |
| | | | (сек) | распада | распада (в \%) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| К+ | 494 | +1 | 1,2-10-8 | μ±+ν | 64 |
| К- | | -1 | | π±+ π0 | 21 |
| | | | | π±+ π-+ π+ | 5,57 |
| | | | | π±+π0+π0 | 1,70 |
| | | | | μ±+π0+ν | 3,18 |
| | | | | e±+π0+ν | 4,85 |
| | | | | e±+ν | 1,2-10-5 |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| К0 | 498 | +1 | | Распады на К-мезоны50\% по схеме K0S и на |
| 
| | -1
| | К-мез
оны50\%
по
схеме
и
на
K
0L (см.
табл.
|
| | | | | 2). |
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Табл. 2.- Основные способы распада K0S и K0L
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Частица | Масса м | Время жизни τ (сек) | Способы распада | Вероятность |
| | | | | распада (в \%) |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| K0S | ≈mK0 | 0,86-10-10 | π++ π- | 68,7 |
| | | | π0+π0 | 31,3 |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| K0L | ≈mK0 | 5,4-10-8 | π0+π0+π0 | 21,5 |
| | Разность масс: | | π++π-+π0 | 12,6 |
| | m KL - m Ks ≈ 3-10-6 | | π±+μ±+ν | 26,8 |
| | эв | | π±+e±+ν | 38,8 |
| | | | π++ π- | 0,16 |
| | | | π0+π0 | 0,12 |
| | | | γ+ γ | 5-10-4 |
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Это были так называемые θ-мезоны, распадающиеся на два пи-мезона (См.
Пи-мезоны)
, τ-мезоны, распадающиеся на три π-мезона, и др. Значит. прогресс в изучении этих частиц начался с 1954, когда их удалось получать с помощью ускорителей заряженных частиц (См.
Ускорители 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 (См.
Слабые взаимодействия) 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 К
0, имеющие S = +1, рождаются при столкновениях "нестранных" частиц - π-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 К
0. Например, возможна реакция
+ р → Λ
0 + π
+, тогда как реакция К
0 + р → Λ
0 + π
+ запрещена законом сохранения странности в сильных взаимодействиях (здесь р - протон, Λ
0 - гиперон). Рождение гиперонов в пучках К
+, К
0 менее вероятно, т.к. оно требует появления совместно с гипероном нескольких дополнительных К
+ или К
0.
Поэтому медленные К
+, К
0 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 π-, так и на 3 π-мезона.
Рисунок иллюстрирует процессы сильного и слабого взаимодействия К-м.
Специфические свойства нейтральных К-мезонов. Выше отмечалось, что К
0- 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 K
0 ⇔
. 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 (См.
Лептонный заряд) для переходов нейтрино - антинейтрино).
В вакууме благодаря переходам K
0 ⇔
состояниями, имеющими определённую энергию и время жизни, будут не К
0 и
, а две квантово-механических суперпозиции этих состояний. Эти суперпозиции соответствуют частицам с различными массами и различными временами жизни: долгоживущему K
0L- и короткоживущему K
0S-meзонам. Разность масс K
0S и K
0L обусловлена слабым взаимодействием, вызывающим переходы K
0 ⇔
, и весьма мала. Время жизни и способы распада K
0S и K
0L указаны в.
Таким образом, в то время как в процессах, вызываемых сильным взаимодействием, проявляются состояния К
0 и
, обладающие определёнными значениями странности (сохраняющейся в сильном взаимодействии), в процессах слабого взаимодействия (в распадах) проявляются как частицы состояния K
0L и K
0S. Состояния K
0L и K
0S близки к суперпозициям состояний, которые называют K
01 и K
02:
K
0s ≈ K
01 =
,
K
0L ≈ K
02 =
,
т. е. K
0L и K
0S приблизительно на 50\% "состоят" из К
0 и на 50\% - из
. Аналогичным образом можно утверждать, что К
0 и
приблизительно на 50\% "состоят" из K
0S и на 50\% - из K
0L тот факт, что состояния К
0 и
представляют суперпозицию двух состояний K
0L и K
0S разными массами и временами жизни, приводит к появлению своеобразных осцилляций ("биений"): К
0, 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 К
0, например реакцию
+ р → Λ
0 + π
+ (эффект Пайса - Пиччони). Др. своеобразное явление - так называемая регенерация короткоживущих K
0S-meзонов при прохождении через вещество долгоживущих K
0L-meзонов: на достаточно больших расстояниях от места образования пучка К
0 (или
) пучок состоит практически только из долгоживущих K
0L, т.к. короткоживущие K
0S распадаются раньше. Поэтому на таких расстояниях наблюдаются лишь распады, характерные для K
0L (). Казалось бы, K
0S не могут вновь появиться в пучке. Однако если пучок K
0L пропустить через слой вещества, то из-за различия во взаимодействиях с веществом К
0 и
, составляющих K
0L, изменяется относительный состав пучка и в пучке K
0L появляется добавка K
0S с характерными для K
0S 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 2π (систему, обладающую теми же свойствами относительно операции СР, что и K01), a K02 не может. Поскольку вероятность распада на 2π 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 2π. 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.
Схематическое изображение фотографии, полученной в водородной пузырьковой камере, иллюстрирующее процессы сильного и слабого взаимодействий К-мезонов. В точке 1 за счёт сильного взаимодействия происходит реакция К-+p→Ω-+К++К0, в которой сохраняется странность. Распады образовавшихся частиц происходят в результате слабого взаимодействия с изменением странности на 1: К0→π++π- (в точке 2); Ω-→Λ0+К- (в точке 3); Λ0→p+π- (в точке 4); К-→π++π-+π- (в точке 5). Треки частиц искривлены, так как камера находится в магнитном поле. Пунктиром обозначены треки нейтральных частиц, не оставляющие следа в камере.
