Kaaon

Кaaon ehk K-meson (tähis K) on meson, mis koosneb ühest "veidrast" antikvargist (s-kvark) ja ühest d- või u-kvargist (antikaaonid koosnevad ühest "veidrast" kvargist ja ühest u- või d-antikvargist).

Kaaonid on kõige lihtsamad kõikidest "veidratest" hadronitest (need, mille kvantarv ei võrdu nulliga). Kaaonid olid külluslikud infoallikad fundamentaalsete vastastikmõjude uurimisel, eriti pärast nende avastamist 1948. aastal. Nad mängisid olulist rolli standardmudeli loomisel, nende abil konstrueeriti kvargimudel.

Avastamine

Kaaonid avastas 1948. aastal 22-aastane doktorant Rosemary Fowler (varem Brown) Bristoli ülikoolis. Tema juhendaja oli Cecil Powell ning kaaonite avastamine oli oluline panus mehe Nobeli füüsikaauhinna pälvimisse 1950. aastal. Fowleri avastus aitas kaasa revolutsioonile osakestefüüsika teoorias, see osutas muuhulgas Higgsi bosoni olemasolule. Fowler lahkus ülikoolist enne doktorikraadi omandamist, et abielluda 1949. aastal füüsiku Peter Fowleriga. 2024. aastal pälvis ta 98-aastasena oma ülikoolis teaduste audoktori tiitli.

Peamised omadused

On neli kindla massiga kaaonit:

1. negatiivselt laetud $K^{-}$ (koosneb s-kvargist ja u-antikvargist omab massi 493,667(16) MeV ja eluajaga 1,2380(21)·10^⁻⁸sekundit).
2. Tema antiosake, positiivselt laetud $K^{+}$ (koosneb u-kvargist ja s-antikvargist). Arvestades CPT-sümmeetriat peab sellel konkreetsel osakesel olema sama mass ja eluiga nagu $K^{-}$. Eksperimentaalselt mõõdetud masside vahe on 0,032(90) MeV, mis on ligikaudselt võrdne nulliga. Eluigade vahe on ka võrdne nulliga (eksperimendi resultaat: Δτ=0,11(9)·10⁻⁸ sekundit).
3. $K^{0}$ (mis koosneb ühest d-kvargist ja s-antikvargist). Omab massi 497,614(24) MeV.
4. Tema antiosake ${{\bar {K}}^{0}}$ (koosneb s-kvargist ja d-antikvargist) omab sama massi.

Kvarkmudelist on teada, et kaoonid moodustavad kaks isospinnilist paari, mis tähendab et nad kuuluvad SU(2) rühma fundamentaalsele kujutamisele. Üks duplett on +1 veidersusega ja isospinniga +1/2 koosneb $K^{+}$ ja $K^{0}$-st. Antiosakesed küll moodustavad teise paari veidersusega −1 ja isospinniga −1/2.

Osake	Sümbol	Antiosake	Mis kvarkidest koosneb	Spin ja paarsus, $J^{\pi }$	Mass MeV/c²	S	C	B	Eluiga	laguneb järgmisteks osakesteks
Laetud kaaon	$\mathrm {K^{+}}$	$\mathrm {K^{-}}$	$\mathrm {u{\bar {s}}}$	Pseudoskalaar (0−)	493,667(16)	+1	0	0	1,24 × 10−8	μ+νμ või π++π0 või π++π++π− või π0+e++νe
Neutraalne kaaon	$\mathrm {K^{0}}$	$\mathrm {{\bar {K}}^{0}}$	$\mathrm {d{\bar {s}}}$	Pseudoskalaar (0−)	497,614(24)	+1	0	0	nõrk lagunemine
Lühima elueaga kaaon	$\mathrm {K_{S}^{0}}$	$\mathrm {K_{S}^{0}}$	$\mathrm {\frac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}}$	Pseudoskalaar (0−)	497,614(24)	(*)	0	0	0,89 × 10−10	π+ + π− või 2π0
Pikema elueaga kaaon	$\mathrm {K_{L}^{0}}$	$\mathrm {K_{L}^{0}}$	$\mathrm {\frac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}}$	Pseudoskalaar(0−)	497,614(24)	(*)	0	0	5,2 × 10−8	π±+e∓+νe või π±+μ∓+νμ või 3π0 või π++π0+π−

K⁰ ja tema antiosake $\mathrm {{\bar {K}}^{0}}$ tekivad tavaliselt tugeva vastastikmõju raames, kuid nad lagunevad nõrga vastastikmõju tulemusena. Sellest tulenevalt võib neid vaadelda nagu kahe iseenda olekut, mis omandavad väga erineva eluea:

1. pikema elueaga neutraalne kaaon, mida tähistatakse nagu K_L ("K-long"), laguneb tavaliselt kolmeks piioniks ja omab eluiga 5,18 × 10⁻⁸ sekundit;
2. lühema elueaga kaaon, mida tähistatakse K_S ("K-short"), tavaliselt laguneb kaheks piioniks ja omab eluiga 8,958 × 10⁻¹¹ sekundit.

1946. aastal korraldatud eksperimentidega saadi tulemused, mis näitasid, et K_L laguneb harva kaheks piioniks, mis oli omakorda CP-invariantsuse rikkumise avastus.

Peamised lagunemise variandid K⁺jaoks:

1. $\mu ^{+}\nu _{\mu }$ (leptonne, BR = 63,55(11)%);
2. $\pi ^{+}\pi ^{0}$ (hadronne, BR = 20,66(8)%);
3. $\pi ^{+}\pi ^{+}\pi ^{-}$ (hadronne, BR = 5,59(4)%);
4. $\pi ^{0}e^{+}\nu _{e}$ (poolleptonne, BR = 5,07(4)%);
5. $\pi ^{0}\mu ^{+}\nu _{\mu }$ (poolleptonne, BR = 3,353(34)%);
6. $\pi ^{+}\pi ^{0}\pi ^{0}$ (hadronne, BR = 1,761(22)%).

Veidrus

Veidrate sisekvantarvuga hadronite avastamine pani aluse kõige imelikumale ajale elementaarosakeste füüsikas, kus isegi praegu, viiskümmend aastat hiljem, ei ole veel kõik lõpuni uuritud. Just suured eksperimendid määrasid seda arengut ja peamised avastused ilmusid ootamatult või olid isegi vastuolus sellega, mida eeldasid teoreetikud.  – I.I. Bigi and A.I. Sanda, CP Violation, (ISBN 0-521-44349-0)

1947. aastal avaldasid G. Rotchester ja Clifford Battler kaks fotot Wilsoni kambrist, mis olid tekkinud kosmiliste kiirte tõttu: ühel on näidatud neutraalne osake, mis laguneb kaheks laetud piioniks, teisel laetud osake, mis laguneb laetud piioniks ja mingiks neutraalseks osakeseks. Masside hindamine oli väga ligikaudne – pool prootoni massist. Hilisemad V-osakeste näited ilmusid tunduvalt hiljem. Esimene läbimurre tekkis siis, kui Wilsoni kamber paigutati Wilsoni mäele selleks, et efektiivsemalt vaadelda kosmilisi kiiri. 1950. aastal määrati 30 laetud ja 4 neutraalset V-osakest. 1953. aastal oli vastu võetud järgmine klassifikatsioon: L meson tähendas müüonit või piionit, K-meson tähendas osakest, mille mass oli piioni ja nukleoni masside vahepeal. Hüperon defineeris osakest, mille mass on suurem kui nukleoni mass.

Lagunemised olid väga aeglased, tavaliselt oli osakese eluaeg umbes 10⁻¹⁰ sekundit, kuid osakeste tekkimine piion-protoonsetes reaktsioonides toimus kiiremini, umbes 10⁻²³ sekundit. Selle probleemi lahendas Abraham Pais, kes postuleeris uue kvantarvu eksisteerimise, mida nimetati veidruseks. See kvantarv säilib tugeva vastastikmõju raames ja ei säili nõrgas vastastikmõjus.

Paarsuse rikkumine

Laetud veidratel mesonitel oli leitud kaks lagunemistüüpi:

1. θ⁺ → π⁺ + π⁰
2. τ⁺ → π⁺ + π⁺ + π⁻.

Kuna kahel lõppolekul on kaks erinevat paarsust, eeldati, et algolekud peavad samuti kahe erineva paarsusega olema ning need on kaks erinevat osakest. Küll aga ei näidanud täpsemad mõõtmised rohkem erinevust nende massides ja elueas. See tõestas, et tegemist on ühe ja sama osakesega. Seda nähtust teati kui saladus θ-τ. Mesonid lagunevad nõrga vastastikmõju raames, seetõttu ei pea paarsus säilima ja kaks lagunemist võivad olla põhjustatud ühe osakese poolt, mida praegu nimetatakse K⁺.

CP-sümmeetria rikkumine neutraalsete mesonite ostsillatsioonis

Esialgselt arvati, et isegi kui paarsus rikutakse, siis CP-sümmeetria säilib. Selleks, et aru saada, on vaja CP-sümmeetria rikkumise avastamiseks teada neutraalsete kaaonite segamisest. See nähtus ei nõua CP-sümmeetria rikkumist, aga selles kontekstis seda esimest korda jälgiti.  

Neutraalsete kaaonite segamine

Kuna neutraalsed kaaonid omavad veidersust, ei saa nad olla enda antiosakeseks. Seetõttu peab olema kaks neutraalset kaaonit, mille veidersus erineb kahe ühiku võrra. Küsimus seisneb selles, kuidas tõestada nende eksisteerimist. Lahendus kasutab nähtust, mida nimetatakse neutraalsete osakeste ostsillatsiooniks. Selle nähtuse raames need kaks mesonit võivad transformeerida üksteist nõrga vastasmõju abil ja laguneda piioniteks. Neid ostsillatsioone uurisid esimestena Murray Gell-Mann ja Abraham Pais (koostöös). Nad vaatlesid CP-invariantsuse ajutiste olekute evolutsiooni vastastikuse veidrusega. Maatriksite abil võib seda kirja panna alljärgnevalt:

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

Kus ψ on süsteemi kvandiline olek, mida iseloomustatavad põhiolekute amplituudid. Diagonaalsed elemendid (M) vastavad nõrgale vastasmõjule, mille raames veidrus säilib. Kaks diagonaalelementi peavad olema võrdsed, kuna osake ja antiosake omavad sama massi, kui ei ole nõrka vastastikmõju. Elemendid, mis ei ole diagonaalis ja segavad osakesi vastastiku veidrusega, on põhjustatud nõrga vastamismõjuga; CP-sümmeetria nõuab, et need oleksid reaalarvud.

Kui maatriks H on reaalne, siis nende olekute tõenäosused võnguvad lõpmatult edasi-tagasi. Kui aga mingi maatriksi osa on kompleksarv, isegi kui seda keelab CP-invariantsus, väheneb osa kombinatsioonidest ajas. See võib olla üks komponent, teine komponent või mõlemad.

CP-sümmeetria rikkumine

Kui 1946. aastal prooviti kontrollida Adairi resultaate, leidsid James Cronin ja Val Fitch BNL-ist K_Llagunemise kaheks piioniks (CP=+1). See lagunemine nõuab, et eeldatud alg- ja lõppolekud omaksid erinevaid CP-väärtusi ja sellega CP-sümmeetria rikutakse. Teised selgitused, sellised nagu kvantmehaanika mittelineaarsus või uus elementaarosake lükati kõrvale, mis tähendab, et CP-sümmeetria rikkumine on ainus eksisteeriv võimalus. Selle avastuse eest said Cronin ja Fitch 1980. aastal Nobeli füüsikaauhinna.

Selgitati, et isegi arvestades sellega, et K_L ja K_S on iseenda nõrgad olekud (sest nad omavad kindlat eluiga lagunemises nõrga vastasmõju raames), ei ole nad täielikult CP-olekud. Harva juhtub, et K_L laguneb nagu CP-ga=+1, ja analoogselt K_S võib laguneda nagu K₂ CP-ga=−1. Seda nähtust teatakse kui mittesirgset CP-sümmeetria rikkumist, mis tekib K⁰ ja tema antiosakeste segamise tõttu. On olemas ka CP-sümmeetria sirgrikkumine, mille raames toimub rikkumine lagunemise ajal. Mõlemad efektid on vaadeldavad seetõttu, et nii segamine kui ka lagunemine toimub ühe ja sama W-bosoni toime tõttu ja niimoodi on CP-sümmeetria rikkumine ennustatav Cabibbo-Kobayashi-Maskawa maatriksiga.

Vaata ka

• Meson
• Kvantmehaanika
• Elementaarosakesed