Kaón

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En física de partículas, un kaón, también llamado mesón K y denotado k, es cualquiera de un grupo de cuatro mesones que se distinguen por un número cuántico llamado extrañeza. En el modelo de quarks se entiende que son estados ligados de un quark extraño (o antiquark) y un antiquark (o quark) arriba o abajo.

Los kaones han demostrado ser una abundante fuente de información sobre la naturaleza de las interacciones fundamentales desde su descubrimiento en los rayos cósmicos en 1947. Fueron esenciales para establecer las bases del modelo estándar de la física de partículas, como el modelo de quarks de los hadrones y la teoría de la mezcla de quarks (este último fue reconocido por un Premio Nobel de Física en 2008). Los kaones han jugado un papel distinguido en nuestra comprensión de las leyes fundamentales de conservación: la violación de CP, un fenómeno que genera la asimetría observada entre materia y antimateria del universo, fue descubierta en el sistema de kaones en 1964 (que fue reconocida por un Premio Nobel en 1980). Además, la violación directa de CP se descubrió en las desintegraciones de kaón a principios de la década de 2000 mediante el experimento NA48 en el CERN y el experimento KTeV en Fermilab.

Propiedades básicas

Los cuatro kaones son:

k, con carga negativa (que contiene un quark extraño y un antiquark up) tiene masa493,677 ± 0,013 MeV y vida media(1,2380 ± 0,0020) × 10 s.
k(antipartícula de arriba) cargada positivamente (que contiene un quark up y un antiquark extraño) debe (por invariancia CPT) tener masa y vida útil igual a la dek. Experimentalmente, la diferencia de masa es0,032 ± 0,090 MeV, consistente con cero; la diferencia en vidas es(0.11 ± 0.09) × 10 s, también consistente con cero.
k, con carga neutra (que contiene un quark down y un antiquark extraño) tiene masa497,648 ± 0,022 MeV. Tiene un radio de carga cuadrático medio de−0,076 ± 0,01 fm.
k, con carga neutra (antipartícula de arriba) (que contiene un quark extraño y un antiquark abajo) tiene la misma masa.

Como muestra el modelo de quarks, las asignaciones de que los kaones forman dos dobletes de isospín; es decir, pertenecen a la representación fundamental de SU(2) llamada 2. Un doblete de extrañeza +1 contiene elky elk. Las antipartículas forman el otro doblete (de extrañeza −1).

mathrm {tfrac {d{bar {s}}+s{bar {d}}}{sqrt {2}}} ,

Nombre de la partícula	símbolo de partículas	Símbolo de antipartículas	contenido de quarks	Masa en reposo(MeV/c)	yo	S	Vida media (s)	Comúnmente se desintegra a(>5% de las desintegraciones)
Kaón	k	k	tus	493,677 ± 0,016	¹ ⁄ ₂	1	(1,2380 ± 0,0020) × 10	m+v_moπ+πoπ+π+πoπ+mi+v_mi
Kaón	k	k	ds	497.611 ± 0.013	¹ ⁄ ₂	1
K-Corto	k_S	Uno mismo	$mathrm {tfrac {d{bar {s}}+s{bar {d}}}{sqrt {2}}} ,$	497.611 ± 0.013	¹ ⁄ ₂		(8,954 ± 0,004) × 10	π+πoπ+π
K-Largo	k_L	Uno mismo	$mathrm {tfrac {d{bar {s}}-s{bar {d}}}{sqrt {2}}} ,$	497.611 ± 0.013	¹ ⁄ ₂		(5,116 ± 0,021) × 10	π+mi+v_mioπ+m+v_moπ+π+πoπ+π+π

Consulte las Notas sobre los kaones neutros en el artículo Lista de mesones y mezcla de kaones neutros, a continuación.^ Estado propio fuerte. Sin vida útil definida (ver mezcla de kaon neutro). ^ Estado propio débil. Al maquillaje le falta un término pequeño que viola CP (ver mezcla de kaon neutral). ^ La masa delk_Lyk_Sse dan como la delk. Sin embargo, se sabe que una diferencia relativamente pequeña entre las masas de losk_Lyk_Sdel orden de3,5 × 10 eV/ c existe.

Aunque elky su antipartículakgeneralmente se producen a través de la fuerza fuerte, se descomponen débilmente. Por lo tanto, una vez creados, es mejor pensar en los dos como superposiciones de dos estados propios débiles que tienen tiempos de vida muy diferentes:

El kaón neutro de larga vida se llamak_L("K-long"), se desintegra principalmente en tres piones y tiene una vida media de5,18 × 10 s.
El kaón neutro de vida corta se llamak_S("K-corto"), se desintegra principalmente en dos piones y tiene una vida media8.958 × 10 s.

(Consulte la discusión sobre la mezcla de kaon neutral a continuación).

Una observación experimental realizada en 1964 de que los K-largos rara vez se descomponen en dos piones fue el descubrimiento de la violación de CP (ver más abajo).

Principales modos de decaimiento parak:

Resultados	Modo	Relación de ramificación
m v_m	leptónico	63,55 ± 0,11%
π π	hadrónico	20,66 ± 0,08%
π π π	hadrónico	5,59 ± 0,04%
π π π	hadrónico	1,761 ± 0,022%
π mi v_mi	semieptónico	5,07 ± 0,04%
π m v_m	semieptónico	3,353 ± 0,034%

Modos de caída para elkson cargas conjugadas de las anteriores.

Violación de paridad

Se encontraron dos desintegraciones diferentes para mesones extraños cargados:

Θ	→	π+π
τ	→	π+π+π

La paridad intrínseca de un pión es P = −1, y la paridad es un número cuántico multiplicativo. Por lo tanto, los dos estados finales tienen diferente paridad (P = +1 y P = −1, respectivamente). Se pensó que los estados iniciales también deberían tener diferentes paridades y, por lo tanto, ser dos partículas distintas. Sin embargo, con mediciones cada vez más precisas, no se encontraron diferencias entre las masas y la vida útil de cada uno, respectivamente, lo que indica que son la misma partícula. Esto se conocía como el rompecabezas τ–θ. Solo se resolvió con el descubrimiento de la violación de la paridad en las interacciones débiles. Dado que los mesones se desintegran a través de interacciones débiles, la paridad no se conserva y las dos desintegraciones son en realidad desintegraciones de la misma partícula, ahora denominadak.

Historia

El descubrimiento de hadrones con el número cuántico interno "extrañeza" marca el comienzo de una época muy emocionante en la física de partículas que incluso ahora, cincuenta años después, aún no ha encontrado su conclusión... en general, los experimentos han impulsado el desarrollo, y que los principales descubrimientos llegaron inesperadamente o incluso en contra de las expectativas expresadas por los teóricos. - Bigi y Sanda (2016)

Mientras buscaba el mesón nuclear hipotético, Louis Leprince-Ringuet encontró evidencia de la existencia de una partícula más pesada cargada positivamente en 1944.

En 1947, GD Rochester y CC Butler, de la Universidad de Manchester, publicaron dos fotografías de cámaras de niebla de eventos inducidos por rayos cósmicos, una que mostraba lo que parecía ser una partícula neutra que se descomponía en dos piones cargados, y otra que parecía ser una partícula cargada que se descomponía. en un pión cargado y algo neutral. La masa estimada de las nuevas partículas era muy aproximada, aproximadamente la mitad de la masa de un protón. Más ejemplos de estas "partículas en V" tardaron en llegar.

En 1949, Rosemary Brown (más tarde Rosemary Fowler), estudiante de investigación en el grupo de Bristol de CF Powell, vio su pista 'k', hecha por una partícula de masa muy similar que se descompuso en tres piones. Esto condujo al llamado problema 'Tau-Theta': lo que parecían ser las mismas partículas (ahora llamadask) decayó en dos modos diferentes, Theta a dos piones (paridad +1), Tau a tres piones (paridad -1). La solución a este rompecabezas resultó ser que las interacciones débiles no conservan la paridad.

El primer avance se obtuvo en Caltech, donde se tomó una cámara de niebla en el Monte Wilson, para una mayor exposición a los rayos cósmicos. En 1950, se informaron 30 "partículas en V" cargadas y 4 neutras. Inspirándose en esto, se realizaron numerosas observaciones en la cima de la montaña durante los años siguientes y, en 1953, se utilizaba la siguiente terminología: "mesón L" para un muón o un pión cargado; "mesón K" significaba una partícula de masa intermedia entre el pión y el nucleón.

Leprince-Rinquet acuñó el término "hiperon" que aún se usa para referirse a cualquier partícula más pesada que un nucleón. La partícula de Leprince-Ringuet resultó ser el mesón K.

Las desintegraciones fueron extremadamente lentas; vidas típicas son del orden de10 segundos _ Sin embargo, la producción en las reacciones pión-protón es mucho más rápida, con una escala de tiempo de10 segundos _ El problema de este desajuste fue resuelto por Abraham Pais quien postuló el nuevo número cuántico llamado "extrañeza" que se conserva en las interacciones fuertes pero se viola en las interacciones débiles. Las partículas extrañas aparecen abundantemente debido a la "producción asociada" de una partícula extraña y una antiextraña juntas. Pronto se demostró que este no podía ser un número cuántico multiplicativo, porque eso permitiría reacciones que nunca se vieron en los nuevos sincrotrones que se encargaron en el Laboratorio Nacional Brookhaven en 1953 y en el Laboratorio Lawrence Berkeley en 1955.

Violación de CP en oscilaciones de mesones neutrales

Inicialmente se pensó que aunque se violaba la paridad, se conservaba la simetría CP (paridad de carga). Para comprender el descubrimiento de la violación de CP, es necesario comprender la mezcla de kaones neutrales; este fenómeno no requiere la violación de CP, pero es el contexto en el que se observó por primera vez la violación de CP.

Mezcla de kaon neutro

Dado que los kaones neutros llevan extrañeza, no pueden ser sus propias antipartículas. Debe haber entonces dos kaones neutrales diferentes, que se diferencian por dos unidades de extrañeza. La pregunta entonces era cómo establecer la presencia de estos dos mesones. La solución utilizó un fenómeno llamado oscilaciones de partículas neutras, por el cual estos dos tipos de mesones pueden pasar de uno a otro a través de interacciones débiles, lo que hace que se desintegren en piones (ver la figura adyacente).

Estas oscilaciones fueron investigadas por primera vez por Murray Gell-Mann y Abraham Pais juntos. Consideraron la evolución temporal invariable de CP de estados con extrañeza opuesta. En notación matricial se puede escribir ${displaystyle psi (t)=U(t)psi (0)={rm {e}}^{iHt}{begin{pmatrix}a\bend{pmatrix}},qquad H ={begin{pmatrix}M&Delta \Delta &Mend{pmatrix}},}$

donde ψ es un estado cuántico del sistema especificado por las amplitudes de estar en cada uno de los dos estados básicos (que son a y b en el tiempo t = 0). Los elementos diagonales (M) del hamiltoniano se deben a una fuerte interacción física que conserva la extrañeza. Los dos elementos diagonales deben ser iguales, ya que la partícula y la antipartícula tienen masas iguales en ausencia de interacciones débiles. Los elementos fuera de la diagonal, que mezclan partículas extrañas opuestas, se deben a interacciones débiles; La simetría CP requiere que sean reales.

La consecuencia de que la matriz H sea real es que las probabilidades de los dos estados siempre oscilarán de un lado a otro. Sin embargo, si alguna parte de la matriz fuera imaginaria, como lo prohíbe la simetría CP, entonces parte de la combinación disminuirá con el tiempo. La parte decreciente puede ser un componente (a) o el otro (b), o una mezcla de los dos.

Mezclando

Los estados propios se obtienen diagonalizando esta matriz. Esto da nuevos vectores propios, que podemos llamar K ₁ que es la suma de los dos estados de extrañeza opuesta, y K ₂, que es la diferencia. Los dos son estados propios de CP con valores propios opuestos; K ₁ tiene CP = +1 y K ₂ tiene CP = −1 Dado que el estado final de dos piones también tiene CP = +1, solo K ₁ puede decaer de esta manera. El K ₂ debe decaer en tres piones. Dado que la masa de K ₂es apenas un poco más grande que la suma de las masas de tres piones, esta descomposición procede muy lentamente, unas 600 veces más lenta que la descomposición de K ₁ en dos piones. Estos dos modos diferentes de decaimiento fueron observados por Leon Lederman y sus colaboradores en 1956, estableciendo la existencia de los dos estados propios débiles (estados con tiempos de vida definidos bajo decaimiento a través de la fuerza débil) de los kaones neutrales.

Estos dos estados propios débiles se denominank_L(K-largo) yk_S(K-corto). La simetría CP, que se asumió en ese momento, implica quek_S = K ₁ yk_L = K ₂.

Oscilación

Un rayo inicialmente puro dekse convertirá en su antipartícula,k, mientras se propaga, que volverá a convertirse en la partícula original,k, y así. Esto se llama oscilación de partículas. Al observar la desintegración débil en leptones, se encontró que unksiempre decayó en un positrón, mientras que la antipartículakdecayó en el electrón. El análisis anterior arrojó una relación entre la tasa de producción de electrones y positrones a partir de fuentes de energía pura.ky su antipartículak. El análisis de la dependencia temporal de esta desintegración semileptónica mostró el fenómeno de la oscilación y permitió la extracción de la división de masas entre losk_Syk_L. Dado que esto se debe a interacciones débiles, es muy pequeño, 10 veces la masa de cada estado, es decir, ∆M _K = M(K _L) − M(_KS) = 3,484(6)×10 MeV.

Regeneración

Un haz de kaones neutros se desintegra en vuelo de modo que el efímerok_Sdesaparece, dejando un haz de puro longevok_L. Si este rayo se dispara a la materia, entonces elky su antipartículakinteractúan de manera diferente con los núcleos. losksufre una dispersión casi elástica con nucleones, mientras que su antipartícula puede crear hiperones. Debido a las diferentes interacciones de los dos componentes, se pierde la coherencia cuántica entre las dos partículas. El haz emergente contiene entonces diferentes superposiciones lineales de loskyk. Tal superposición es una mezcla dek_Lyk_S; lak_Sse regenera al pasar un haz de kaón neutro a través de la materia. La regeneración fue observada por Oreste Piccioni y sus colaboradores en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Poco después, Robert Adair y sus compañeros de trabajo reportaron excesok_Sregeneración, abriendo así un nuevo capítulo en esta historia.

Violación de CP

Al tratar de verificar los resultados de Adair, J. Christenson, James Cronin, Val Fitch y Rene Turlay de la Universidad de Princeton encontraron decaimientos dek_Len dos piones (CP = +1) en un experimento realizado en 1964 en el Sincrotrón de Gradiente Alternante en el laboratorio de Brookhaven. Como se explicó en una sección anterior, esto requería que los estados inicial y final asumidos tuvieran diferentes valores de CP y, por lo tanto, sugería inmediatamente una violación de CP. Pronto se descartaron explicaciones alternativas como la mecánica cuántica no lineal y una nueva partícula no observada (hiperfotón), dejando la violación de CP como la única posibilidad. Cronin y Fitch recibieron el Premio Nobel de Física por este descubrimiento en 1980.

Resulta que aunque elk_Lyk_Sson estados propios débiles (porque tienen tiempos de vida definidos para el decaimiento por medio de la fuerza débil), no son estados propios del todo CP. En cambio, para ε pequeño (y hasta la normalización),k_L= K ₂ + ε K ₁

y de manera similar parak_S. Así de vez en cuando elk_Ldecae como un K ₁ con CP = +1, y del mismo modo elk_Spuede decaer con CP = −1. Esto se conoce como violación indirecta de CP, violación de CP debido a la mezcla deky su antipartícula. También hay un efecto directo de violación de CP, en el que la violación de CP ocurre durante el propio decaimiento. Ambos están presentes, porque tanto la mezcla como la descomposición surgen de la misma interacción con el bosón W y, por lo tanto, tienen una violación de CP predicha por la matriz CKM. La violación directa de CP se descubrió en las desintegraciones de kaon a principios de la década de 2000 mediante los experimentos NA48 y KTeV en CERN y Fermilab.

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