კაონი

კაონი, K-მეზონი, კა-მეზონი (აღნიშვნა: K) — მეზონი, რომელიც შეიცავს ერთ უცნაურ ანტიკვარკს და ერთ u- ან d-კვარკს (ანტიკაონები, პირიქით, შეიცავს ერთ უცნაურ კვარკს და ერთ u- ან d-ანტიკვარკს). კაონები ყველაზე მსუბუქი არიან ყველა უცნაურ (აქვს არანულოვანი კვანტური რიცხვი, რომელსაც უცნაურობა ეწოდება) ჰადრონებს შორის.

ძირითადი თვისებები

არსებობს ოთხი კაონი განსაზღვრული მასით:

1. უარყოფითად დამუხტული K⁻ (s-კვარკისა და u-ანტიკვარკის შემცველი) აქვს 493.667(16) მევ მასა და სიცოცხლის ხანგრძლივობა 1.2380(21)⋅10⁻⁸ წამი.
2. მის ანტინაწილაკს, დადებითად დამუხტულ K⁺-ს (რომელიც შეიცავს u-კვარკს და s-ანტიკვარკს), CPT სიმეტრიის მიხედვით, უნდა ჰქონდეს მასა და სიცოცხლის ხანგრძლივობა, შესაბამისად, K⁻-ის მასისა და სიცოცხლის ხანგრძლივობის ტოლი. ექსპერიმენტულად გაზომილი მასის სხვაობა არის 0.032(90) მევ, ანუ თავსებადია ნულთან. სიცოცხლის ხანგრძლივობაში სხვაობაც ნულია (ექსპერიმენტის შედეგი: Δτ = 0.11(9)⋅10⁻⁸ წამი).
3. K⁰ (რომელიც შეიცავს d-კვარკს და s-ანტიკვარკს) აქვს მასა 497.614(24) მევ.
4. მისი ანტინაწილაკ $\mathrm {{\bar {K}}^{0}}$ (შეიცავს s-კვარკს და d-ანტიკვარკს) აქვს იგივე მასა.

კვარკის მოდელიდან ირკვევა, რომ კაონები ქმნიან ორ იზოსპინის დუბლეტს; ანუ ისინი მიეკუთვნებიან SU(2) ჯგუფის ფუნდამენტურ წარმოდგენას, რომელსაც ეწოდება 2. ერთი დუბლეტი +1 უცნაურობით და იზოსპინი +1/2 K⁺ და K⁰-ს. ანტინაწილაკები ქმნიან მეორე ორეულს უცნაურობით -1 და იზოსპინი -1/2.

ნაწილაკი	სიმბოლო	ანტი- ნაწილაკი	ნაწილაკის კვარკული შემადგენლობა	სპინი და ჯერადობა, $J^{\pi }$	მასა მევ/c²	S	C	B	სიცოცხლის ხანგრძლივობა წმ	იშლება ნაწილაკებად	შენიშვნა
დამუხტული კაონი	$\mathrm {K^{+}}$	$\mathrm {K^{-}}$	$\mathrm {u{\bar {s}}}$	ფსევდოსკალარი (0−)	493.667(16)	+1	0	0	1.24×10−8	μ+νμ ან π++π0 ან π++π++π− ან π0+e++νe
ნეიტრალური კაონი	$\mathrm {K^{0}}$	$\mathrm {{\bar {K}}^{0}}$	$\mathrm {d{\bar {s}}}$	ფსევდოსკალარი (0−)	497.614(24)	+1	0	0	სუსტი დაშლა		ძლიერი საკუთარი მდგომარეობა — არ გააჩნია განსაზღვრული სიცოცხლის ხანგრძლივობა
ნაკლებად სისცოცხლისუნარიანი კაონი	$\mathrm {K_{S}^{0}}$	$\mathrm {K_{S}^{0}}$	$\mathrm {\frac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}}$	ფსევდოსკალარი (0−)	497.614(24)	იხ. მეზონთა სია	0	0	0.89×10−10	π+ + π− или 2π0	სუსტი საკუთარი მდგომარეობა — შემადგენლობა უთითებს CP-ინვარიანტულობის დარღვევაზე
სიცოცხლისუნარიანი კაონი	$\mathrm {K_{L}^{0}}$	$\mathrm {K_{L}^{0}}$	$\mathrm {\frac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}}$	ფსევდოსკალარი (0−)	497.614(24)	იხ. მეზონთა სია	0	0	5.2×10−8	π±+e∓+νe или π±+μ∓+νμ или 3π0 или π++π0+π−	სუსტი საკუთარი მდგომარეობა — შემადგენლობა უთითებს CP-ინვარიანტულობის დარღვევაზე

მიუხედავად იმისა, რომ K⁰ და მისი ანტინაწილაკი $\mathrm {{\bar {K}}^{0}}$ ჩვეულებრივ ჩნდება ძლიერი ურთიერთქმედების შედეგად, ისინი იშლება სუსტი ურთიერთქმედების შედეგად. მაშასადამე, ისინი შეიძლება განიხილებოდეს, როგორც ორი საკუთარი სუსტი მდგომარეობის კომპოზიცია, რომლებსაც გააჩნიათ განსხვავებული სიცოცხლის ხანგრძლივობა:

1. სიცოცხლისუნარიანი ნეიტრალური კაონი, აღნიშვნით K_L («K-long»), ჩვეულებრივ იშლება სამ პიონად და აქვს სიცოცხლის ხანგრძლივობა 5.18×10⁻⁸ წამი.
2. ნაკლებად სიცოცხლისუნარიანი ნეიტრალური კაონი, სახელწოდებით K_S («K-short»), ჩვეულებრივ იშლება ორ პიონად და აქვს სიცოცხლის ხანგრძლივობა 8.958×10⁻¹¹ წამი.

1964 წელს ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ K_L იშვიათად იშლება ორ პიონად, აღნიშნულმა გამოიწვია CPინვარიანტობის აღმოჩენა.

K⁺-ის დაშლის ძირითადი ვარიანტები:

1. $\mu ^{+}\nu _{\mu }$ (ლეპტონური, BR = 63.55(11)%);
2. $\pi ^{+}\pi ^{0}$ (ჰადრონული, BR = 20.66(8)%);
3. $\pi ^{+}\pi ^{+}\pi ^{-}$ (ჰადრონული, BR = 5.59(4)%);
4. $\pi ^{0}e^{+}\nu _{e}$ (ნახევრადლეპტონური, BR = 5.07(4)%);
5. $\pi ^{0}\mu ^{+}\nu _{\mu }$ (ნახევრადლეპტონური, BR = 3.353(34)%);
6. $\pi ^{+}\pi ^{0}\pi ^{0}$ (ჰადრონული, BR = 1.761(22)%).

უცნაურობა

შინაგანი კვანტური რიცხვის მქონე — „უცნაური“ — ჰადრონების აღმოჩენით აღინიშნა ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკაში ახალი ეპოქის დასაწყისი.

1947 წელს დ. როჩესტერმა და კ. კ. ბატლერმა გამოაქვეყნეს კოსმოსური სხივებით გამოწვეული ღრუბლოვანი კამერის მოვლენების ორი ფოტო; ერთში ნაჩვენები იყო ნეიტრალური ნაწილაკი, რომელიც იშლება ორ დამუხტულ პიონად, ხოლო მეორეში ნაჩვენები იყო დამუხტული ნაწილაკი, რომელიც იშლება დამუხტულ პიონად და რაღაც ნეიტრალურად. ახალი ნაწილაკების მასა უხეშად შეფასდა, როგორც პროტონის მასის დაახლოებით ნახევარი.

პირველი გარღვევა მოხდა კალტექში, როდესაც უილსონის კამერა ატანილ იქნა უილსონის მთაზე კოსმოსური სხივების უფრო ეფექტური დაკვირვებისათვის. 1950 წელს დაფიქსირდა 30 დამუხტული და 4 ნეიტრალური V-ნაწილაკი. ამით შთაგონებულმა მეცნიერებმა მრავალი დაკვირვება გააკეთეს მთის წვერზე მომდევნო რამდენიმე წლის განმავლობაში და 1953 წლისთვის მიიღეს შემდეგი კლასიფიკაცია: „L-მეზონი“ აღნიშნავდა მიუონს ან პიონს. „K-მეზონი“ ნიშნავდა ნაწილაკს, რომელსაც ჰქონდა მასა პიონისა და ნუკლონის მასებს შორის. „ჰიპერონი“ აღნიშნავდა ნუკლონზე მძიმე ნებისმიერ ნაწილაკს.

დაშლა ძალიან ნელი ტემპით მიმდინარეობდა. სიცოცხლის ხანგრძლივობა დაახლოებით 10^–10 წამის რიგის იყო. თუმცა, ნაწილაკების დაბადება პიონ-პროტონული რეაქციების დროს ხდებოდა ბევრად უფრო სწრაფად, დაახლოებით 10^–23 წამში. ამ შეუსაბამობის პრობლემა გადაჭრილ იქნა აბრაამ პაისის მიერ, რომელმაც გამოთქვა ახალი კვანტური რიცხვის არსებობა, სახელწოდებით „უცნაურობა“, რომელიც ნარჩუნდება ძლიერ ურთიერთქმედებებში, მაგრამ არა სუსტ ურთიერთქმედებაში. უცნაური ნაწილაკები დიდი რაოდენობით ჩნდებოდა უცნაური და ანტიუცნაური ნაწილაკების „დაწყვილებული დაბადების“ გამო. მალე გაირკვა, რომ ეს არ იყო მულტიპლიკატიური კვანტური რიცხვი, რადგან სხვაგვარად დაშვებული იქნებოდა რეაქციები, რომლებიც არ შეინიშნებოდა ბრუკჰავენის ეროვნულ ლაბორატორიისა (1953) და ლოურენს ბერკლის ეროვნულ ლაბორატორიის (1955) ციკლოტრონებში.

ჯერადობის დარღვევა: θ-τ თავსატეხი

დამუხტული უცნაური მეზონებისთვის ცნობილია დაშლის ორი ტიპი:

1. θ⁺ → π⁺ + π⁰;
2. τ⁺ → π⁺ + π⁺ + π⁻.

ვინაიდან ორ საბოლოო მდგომარეობას განსხვავებული ჯერადობა აქვს, ვარაუდობდნენ, რომ საწყის მდგომარეობებს ასევე უნდა ჰქონდეთ განსხვავებული ჯერადობები და, შესაბამისად, ორი განსხვავებული ნაწილაკი. თუმცა, უფრო ზუსტმა გაზომვებმა არ აჩვენა არავითარი განსხვავება მათ მასებსა და სიცოცხლის ხანგრძლივობაში, რაც ადასტურებს, რომ ისინი ერთი და იგივე ნაწილაკები არიან. ეს ფენომენი ცნობილია, როგორც θ-τ თავსატეხი. ის მოგვარდა მხოლოდ სუსტ ურთიერთქმედებაში ჯერადობის დარღვევის აღმოჩენით. იმის გამო, რომ მეზონები იშლება სუსტი ურთიერთქმედების შედეგად, ჯერადობა არ უნდა შენარჩუნებულიყო და ორი დაშლა შეიძლება გამოწვეული ყოფილიყო ნაწილაკით, რომელსაც დღეს K⁺ ეწოდება.

CP-სიმეტრიის დარღვევა ნეიტრალურ მეზონის ოსცილაციებში

თავიდან ითვლებოდა, რომ მიუხედავად იმისა, რომ ჯერადობა ირღვევა, CP (მუხტი+ჯერადობა) სიმეტრია ნარჩუნდება. CP-სიმეტრიის რღვევის აღმოჩენის უკეთ გასაგებად საჭიროა შევისწავლოთ ნეიტრალური კაონების შერევა. ეს ფენომენი არ საჭიროებს CP-სიმეტრიის დარღვევას, მაგრამ სწორედ ამ კონტექსტში დაფიქსირდა პირველად CP-სიმეტრიის დარღვევა.

ნეიტრალური კაონების შერევა

ვინაიდან ნეიტრალურ კაონებს გააჩნიათ უცნაურობა, მათ არ შეიძლიათ იყონ საკუთარი ანტინაწილაკები. მაშინ უნდა არსებობდეს ორი განსხვავებული ნეიტრალური კაონი, რომლებიც განსხვავდებიან უცნაურობის ორი ერთეულით. საკითხავია როგორ დავადგინოთ ამ ორი მეზონის არსებობა. გამოსავალი იყენებს ფენომენს, რომელსაც ეწოდება ნეიტრალური ნაწილაკების ოსცილაცია, რომლის დროსაც ეს ორი ტიპის მეზონს შეუძლიათ გადაიქცნენ ერთმანეთში სუსტი ურთიერთქმედების მეშვეობით, რაც იწვევს მათ დაშლას პიონებად.

ეს ოსცილაციები პირველად შეისწავლა მიურეი გელ-მანმა და აბრაამ პაისმა. მათ განიხილეს CP-ინვარიანტული დროის ევოლუცია, რომელიც შედგებოდა საპირისპირო უცნაურობით. მატრიცის მეშვეობით შეგვიძლია დავწეროთ:

$\psi (t)=U(t)\psi (0)={\rm {e}}^{iHt}{\begin{pmatrix}a\\b\end{pmatrix}},\qquad H={\begin{pmatrix}M&\Delta \\\Delta &M\end{pmatrix}}$

სადაც, ψ ეს სისტემის კვანტური მდგომარეობაა, რომელსაც ახასიათებს არსებობის ამპლიტუდებს თითოეულ ორ ძირითად მდგომარეობაში (აღნიშნულია a და b, როცა t = 0). ჰამილტონიანის დიაგონალური ელემენტები (M) შეესაბამება ძლიერ ურთიერთქმედებას, რომელიც ინარჩუნებს უცნაურობას. ორი დიაგონალური ელემენტი უნდა იყოს თანაბარი, რადგან ნაწილაკსა და ანტინაწილაკს გააჩნიათ თანაბარი მასები სუსტი ურთიერთქმედების არარსებობის შემთხვევაში. ელემენტები, რომლებიც არ არიან განლაგებული დიაგონალზე ურევს ნაწილაკებს საპირისპირო უცნაურობაში, გამოწვეულია სუსტი ურთიერთქმედებით. CP სიმეტრია ითხოვს, მათ ნამდვილობას.

თუ მატრიცა H ჭეშმარიტია, ორი მდგომარეობის ალბათობა სამუდამოდ ირხევა წინ და უკან. თუმცა, თუ მატრიცის ზოგიერთი ნაწილი წარმოსახვითია, თუმცა ეს დაუშვებელია CP ინვარიანტობით, მაშინ კომბინაციის ნაწილი დროთა განმავლობაში შემცირდება. კლებადი ნაწილი შეიძლება იყოს ერთი კომპონენტი (a), ან მეორე (b), ან ორივეს ნაზავი.

შერევა

საკუთარი მდგომარეობები მიიღება ამ მატრიცის დიაგონალიზაციის შედეგად. ეს იძლევა ახალ საკუთარ ვექტორებს, რომლებსაც შეგვიძლია ვუწოდოთ K₁, რომელიც არის ორი მდგომარეობის ჯამი საპირისპირო უცნაურობით და K₂, რომელიც წარმოადგენს განსხვავებას. ორივე არის საკუთარი CP მდგომარეობა საპირისპირო საკუთარი მნიშვნელობებით; K₁ აქვს CP = +1, ხოლო K₂ აქვს CP = -1. ვინაიდან ორ პიონიან საბოლოო მდგომარეობას ასევე აქვს CP = +1, მხოლოდ ამ გზით შეიძლება დაიშალოს K₁. K₂ უნდა დაიშალოს სამ პიონად. ვინაიდან K₂-ის მასა ოდნავ აღემატება სამი პიონის მასების ჯამს, ეს დაშლა ხდება ძალიან ნელა, დაახლოებით 600-ჯერ უფრო ნელა, ვიდრე K₁-ში დაშლა ორ პიონად. ამ ორი დაშლის გზა აკვირდებოდნენ ლეონ ლედერმანი და მისი კოლეგები 1956 წელს, რომლებმაც დაადგინეს ნეიტრალური კაონების ორი სუსტი საკუთარი მდგომარეობის არსებობა.

ამ ორ საკუთარ მდგომარეობას ეწოდა K_L (K-გრძელი) და K_S (K-მოკლე). CP სიმეტრია, რომელიც იმ დროს ხელშეუხებლად ითვლებოდა, ვარაუდობდა, რომ K_S = K₁ და K_L = K< sub >2.

ოსცილაცია

თავდაპირველად სუფთა K⁰ სხივის კონა გავრცელებისას გარდაიქმნება თავის ანტინაწილაკებად, რომლებიც შემდეგ გადაიქცევიან საწყის ნაწილაკებად და ა.შ. ამ მოვლენას ნაწილაკების ოსცილაცია ეწოდა. ლეპტონებად დაშლის დაკვირვებისას აღმოჩნდა, რომ K⁰ ყოველთვის იშლება ელექტრონის ემისიით, ხოლო ანტინაწილაკი $\mathrm {{\bar {K}}^{0}}$ — პოზიტრონის ემისიით. პირველმა ანალიზმა გამოავლინა კავშირი ელექტრონებისა და პოზიტრონების წარმოების დონეს სუფთა K⁰-ს წყაროებიდან და მათ ანტინაწილაკ $\mathrm {{\bar {K}}^{0}}$-ს შორის. ნახევრადლეპტონური დაშლის დროით დამოკიდებულების ანალიზმა დაამტკიცა ოსცილაციის არსებობა და შესაძლებელი გახადა დაზუსტებულიყო მასის გაყოფა K_S-სა და K_L-ს შორის. იმის გამო, რომ ის არსებობს სუსტი ურთიერთქმედების გამო, ის ძალზედ მცირეა — 3.483(6)×10⁻¹² მევ.

აღდგენა

ნეიტრალური კაონების სხივის კონა ფრენისას იშლება ისე, რომ ხანმოკლე K_S ქრება და ტოვებს სუფთა სიცოცხლის უნარიან K_L-ის ნაკადს. თუ ეს ნაკადი გადის მატერიაში, K⁰ და მისი ანტინაწილაკი $\mathrm {{\bar {K}}^{0}}$ ურთიერთქმედებს ბირთვებთან სხვადასხვანაირად. K⁰-ზე მიმდინარეობს კვაზი-ელასტიური გაფანტვა ნუკლონებზე, ხოლო მის ანტინაწილაკს შეუძლია შექმნას ჰიპერონები. ორ კომპონენტს შორის განსხვავებული ურთიერთქმედების გამო, ორ ნაწილაკს შორის კვანტური თანმიმდევრულობა იკარგება. შედეგად მიღებული ნაკადი შეიცავს სხვადასხვა ხაზოვან სუპერპოზიციებს K⁰ და $\mathrm {{\bar {K}}^{0}}$. ასეთი სუპერპოზიცია არის K_L-სა და K_S-ს ნაზავი. ამრიგად, K_S აღდგება, როდესაც ნეიტრალური კაონების სხივი გადის ნივთიერებაში. აღდგენის პროცესს აკვირდებოდა ორესტე პიჩიონი და კოლეგები ლოურენს ბერკლის ეროვნულ ლაბორატორიაში. ამის შემდეგ მალევე, რობერტ ადერმა და მისმა თანაშემწეებმა განაცხადეს K_S-ის გადაჭარბებული აღდგენის თაობაზე, რითაც გახსნეს ახალი თავი კვლევის ისტორიაში.

CP-სიმეტრიის დარღვევა

ადერის შედეგების გადამოწმებისას, 1964 წელს ჯეიმს კრონინმა და ვალ ფიჩმა ბრუკჰავენის ეროვნული ლაბორატორიიდან აღმოაჩინეს K_L-ის დაშლა ორ პიონად (CP = +1). როგორც ზემოთ აღინიშნა, ეს დაშლა მოითხოვს, რომ სავარაუდო საწყის და საბოლოო მდგომარეობას ჰქონდეს განსხვავებული CP მნიშვნელობები და, შესაბამისად, დაუყოვნებლივ გულისხმობს CP სიმეტრიის დარღვევას. სხვა ახსნა-განმარტებები, როგორიცაა კვანტური მექანიკის არაწრფივობა ან ახალი ელემენტარული ნაწილაკი (ჰიპერფოტონი), მალევე იქნა გამორიცხული, რის შედეგადაც CP სიმეტრიის დარღვევა ერთადერთ ახსნად დარჩა. ამ აღმოჩენისთვის კრონინმა და ფიჩმა მიიღეს 1980 წლის ნობელის პრემია ფიზიკაში.

გამოდის, რომ მიუხედავად იმისა, რომ K_L და K_S სუსტი საკუთრივ მდგომარეობებია (რადგან მათ აქვთ გარკვეული სიცოცხლის ხანგრძლივობა სუსტი ურთიერთქმედების შედეგად დაშლისას), ისინი არ არიან ზუსტად CP მდგომარეობებისანი.

K_L = K₂ + εK₁

(და ანალოგიურად K_S-ისთვის), სადაც ε არის მცირე პარამეტრი. ამგვარად, იშვიათად K_L იშლება როგორც K₁ და CP = +1-ით, და ანალოგიურად K_S შეიძლება დაიშალა როგორც K₂ და CP = -1-ით. ეს ფენომენი ცნობილია, როგორც CP-სიმეტრიის არაპირდაპირი დარღვევა, CP სიმეტრიის დარღვევა K⁰ და მისი ანტინაწილაკის შერევის გამო. ასევე არსებობს CP სიმეტრიის პირდაპირი დარღვევა, რომლის დროსაც დარღვევა ხდება თავად დაშლის დროს. ორივე ეფექტი შეინიშნება, რადგან ორივე შერევა და დაშლა წარმოიქმნება W-ბოზონთან ერთი და იგივე ურთიერთქმედებიდან და, შესაბამისად, CP სიმეტრიის დარღვევა პროგნოზირებულია CKM-მატრიცით.

რესურსები ინტერნეტში

• Particle data group (2010) on mesons
• The quark model, by J.J.J. Kokkedee
• CP violation, by I.I. Bigi and A.I. Sanda (Cambridge University Press, 2000) ISBN 0-521-44349-0
• Griffiths, David (1987). Introduction to Elementary Particles. New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-60386-4.
• В. М. Терентьев. Распад $K_{2}\rightarrow 2\pi$ и возможное несохранение CP-чётности. — УФН, т.86, 1965, вып. 2, с. 231—262.