K介子
在粒子物理学中,K介子(Kaon,标记为
K
[注 1]))是带有奇异数这一量子数的四种介子的任一种。在夸克模型中含有一个s夸克(或其反夸克),及一个上或d夸克的反夸克(或其夸克)。
组成 | K+ : u s
K− : s u |
---|---|
系 | 玻色子 |
基本相互作用 | 强相互作用 |
符号 | K+ , K0 , K− |
类型 | 3 |
质量 | K± : ±0.013 MeV/c2 493.667 K0 : ±0.022 MeV/c2 497.648 |
电荷 | K± : ±e K0 : 0 |
自旋 | 0 |
自从它们在1947年被发现之后,K介子为基础相互作用的性质提供了大量的资料。在建立粒子物理学标准模型基础的过程中,它们有着不可或缺的角色,例如强子的夸克模型及夸克混合的理论(后者于2008年被诺贝尔物理学奖肯定)。在人类对基础守恒定律的了解中,K介子也有着杰出的贡献:CP破坏(一种造成大家所见的宇宙物质-反物质失衡的现象)的发现在1980年被诺贝尔物理学奖肯定,这种现象就是在K介子系统被发现的。
基本特性
编辑K+
)变成三个π介子(2
π+
, 1
π−
)的衰变,这过程涉及了弱与强相互作用。
弱相互作用:K介子内的s夸克(
s
)衰变成一反u夸克(
u
),并发射一
W+
玻色子;随后
W+
玻色子衰变成一反d夸克(
d
)及一u夸克(
u
)。
强相互作用:一u夸克(
u
)发射出一胶子(
g
),该胶子随后衰变成一d夸克(
d
)及一反d夸克(
d
)。
四种K介子分别为:
- 带负电的
K−
(含有一个s夸克及一个反u夸克),质量为±0.013 MeV, 493.667平均寿命为±0.0024)×10−8 s。 (1.2384 - 其反粒子,带正电的
K+
(含有一个u夸克及一个反s夸克)的质量及寿命必须等同于
K−
(由于CPT对称的关系)。两者质量差为±0.090 MeV,跟零一致。而寿命差则为 0.032±0.09)×10−8 s。 (0.11 - 中性(不带电荷)的
K0
(含有一个d夸克及一个反s夸克),其质量为±0.022 MeV。其均方电荷半径为 497.648±0.01 fm2。 −0.076
K0
的反粒子为
K0
(含有一个s夸克及一个反d夸克),两者质量一致。
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
K+
及
K0
。而它们的反粒子组成另一组双重态(奇异数为-1)。
粒子名称 | 粒子符号 | 反粒子符号 | 内含夸克 | 静止质量 (MeV/c2) | I | JPC | S | C | B' | 平均寿命 (s) | 一般衰变产物 (>所有衰变的5%) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
K介子[1] | K+ |
K− |
u s |
±0.016 493.677 | 1⁄2 | 0− | 1 | 0 | 0 | ±0.0021)×10−8 (1.2380 | μ+ + ν μ or |
K介子[2] | K0 |
K0 |
d s |
±0.024 497.614 | 1⁄2 | 0− | 1 | 0 | 0 | ||
短命K[3] | K0 S |
自身 | ±0.024 497.614 | 1⁄2 | 0− | 0 | 0 | ±0.005)×10−11 (8.953 | π+ + π− or | ||
长命K[4] | K0 L |
自身 | ±0.024 497.614 | 1⁄2 | 0− | 0 | 0 | ±0.020)×10−8 (5.116 | π± + e∓ + ν e or π± + μ∓ + ν μ or |
[a] ^ 强本征态。没有确切的寿命。
[b] ^ 弱本征态。构成内没有小ε的CP破坏项。
[c] ^
K0
L及
K0
S的质量于上表上与
K0
无异。然而,已知
K0
L及
K0
S的质量有异,差异的大小尺度为×10−12 MeV/c2。 3.5[4]
[d] ^ 由于中性粒子混合的关系,所以
K0
L及
K0
S并非奇异数的本征态。
衰变
编辑中性K介子
编辑尽管
K0
及其反粒子
K0
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:
- 长命的K介子被称为
K
L(K-long,长命K),主要衰变成三个π介子,其平均寿命为×10−8 s。 5.18 - 短命的K介子被称为
K
S(K-short,短命K),主要衰变成两个π介子,其平均寿命为×10−11 s。 8.958
(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[5]。
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)。
带电荷K介子
编辑
K+
的主要衰变模式为:
产物 模式 分支比
μ+
ν
μ轻子 ±0.17% 63.43
π+
π0
重子 ±0.14% 21.13
π+
π+
π−
重子 ±0.031% 5.576
π+
π0
π0
重子 ±0.04% 1.73
π0
e+
ν
e半轻子 ±0.06% 4.87
奇异数
编辑内量子数“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。
—— 《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 10−10 sπ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 10−23 s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s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。
宇称不守恒
编辑带电荷的奇介子有两种衰变模式:
Θ+→
π+
+
π0
τ+→
π+
+
π+
+
π−
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
K+
。
中性介子振荡中的CP破坏
编辑尽管宇称不守恒,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。
中性K介子混合
编辑K0
内的s夸克变成一d夸克,接着放射出两个相反电荷的W玻色子。
K0
内的反d夸克则通过吸收W玻色子而变成一s夸克。
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。
混合
编辑把矩阵对角化后可得本征态。这样会产生新的本征矢量,我们可以把它叫做K1,它是两相反奇异数态的总和,而K2则是两态间的差。K1及K2为CP的本征态,两者有着相反的本征量;K1的CP为+1,而K2则为-1。由于二π介子系统的CP也是+1,所以K1可以这样衰变。而K2则必须衰变成三个π介子。由于K2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K1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
K
L(长命K)及
K
S(短命K)。在假定CP对称的情况下,
K
S=K1,
K
L=K2。
振荡
编辑一初态为
K0
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
K0
总是衰变成电子,而反粒子
K0
则总是衰变成正电子。前文的分析提到纯
K0
及反粒子
K0
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
K
S及
K
L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10−15倍。
再生
编辑一束中性K介子在飞行中衰变,因此短命的
K
S就此消失,剩下一束纯
K
L。假设这束粒子被射进物质里,那么
K0
及其反粒子
K0
就会与原子核有着不同的相互作用。
K0
与核子产生准弹性散射,而反粒子
K0
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
K
S的再生比预期多,就此开启了历史的新篇章。
CP破坏
编辑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
K
L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
K
L及
K
S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),
K
L = K2 + εK1
而
K
S也是相近的情况。因此有些时候
K
L 衰变时CP=+1,而同样地
K
S 可以有CP=-1的衰变。这就是间接CP破坏,由
K0
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。
另见
编辑注释及参考来源
编辑- 注释
- 资料来源
- ^ C. Amsler et al. (2008): ([//web.archive.org/web/20170130221332/http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s010.pdf 页面存档备份,存于互联网档案馆) (页面存档备份,存于互联网档案馆) (页面存档备份,存于互联网档案馆) (页面存档备份,存于互联网档案馆) Particle listings –
K±
] (页面存档备份,存于互联网档案馆) - ^ C. Amsler et al. (2008): ([//web.archive.org/web/20170126034054/http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s011.pdf 页面存档备份,存于互联网档案馆) (页面存档备份,存于互联网档案馆) (页面存档备份,存于互联网档案馆) (页面存档备份,存于互联网档案馆) Particle listings –
K0
] (页面存档备份,存于互联网档案馆) - ^ C. Amsler et al. (2008): ([//web.archive.org/web/20170211045659/http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s012.pdf 页面存档备份,存于互联网档案馆) (页面存档备份,存于互联网档案馆) (页面存档备份,存于互联网档案馆) (页面存档备份,存于互联网档案馆) Particle listings –
K0
S] (页面存档备份,存于互联网档案馆) - ^ 4.0 4.1 C. Amsler et al. (2008): ([//web.archive.org/web/20170130221336/http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s013.pdf 页面存档备份,存于互联网档案馆) (页面存档备份,存于互联网档案馆) (页面存档备份,存于互联网档案馆) (页面存档备份,存于互联网档案馆) Particle listings –
K0
L] (页面存档备份,存于互联网档案馆) - ^ J.W. Cronin. CP Symmetry Violation – The Search for its origin (PDF). Nobel Lecture. The Nobel Foundation. 1980 [2011-07-07]. (原始内容存档 (PDF)于2017-08-10).
参考文献
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- S. Eidelman; et al. Review of Particle Physics 2004 – Strange Mesons. Particle Data Group. 2004 [2011-07-07]. (原始内容存档于2021-05-08).
- S. Eidelman et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics. Physics Letters B. 2004, 592 (1): 1. Bibcode:2004PhLB..592....1P. arXiv:astro-ph/0406663 . doi:10.1016/j.physletb.2004.06.001.
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