Нейтральные каоны нарушают CP- симметрию

    Исследования свойств нейтральных K0 и K0-мезонов представляет особый интерес, т.к. они позволяют изучить ряд уникальных проявлений принципов квантовой механики.

  1. Линейные комбинации двух состояний также является состоянием системы. K0 и K0 можно представить как суперпозицию двух других состояний K1 и K2.
  2. Распады K0 и K0-мезонов показали, что CP-симметрия не является точной симметрией.

    Нейтральные мезоны K0 и K0 являются частицей и античастицей. Они связаны процедурой зарядового сопряжения. Выберем фазы так, что Ĉ |К0> = -|K0> и Ĉ|K0> = -|К0>. Единственное квантовое число, которым различаются K0 и K0, - это странность (S(К0) = 1, S(K0) = -1). Поэтому обе частицы должны иметь одинаковые массы и одинаковые времена жизни. K0 имеет кварковую структуру daqs.gif (58 bytes), а K0 - saqd.gif (63 bytes). Они по-разному ведут себя в сильном взаимодействии. Так согласно закона сохранения странности в сильных взаимодействиях K0-мезоны могут образовываться в реакции

π− + p ----> Λ + K0, Δs = 0,

(1)

в то время как для K0-мезонов такая реакция запрещена

π− + p ---/--> Λ+ K0, Δs = -2. (2)

K0 в сильных взаимодействиях могут образовываться в реакции

π− + p ----> n + K0 + K0 (3)

при более высоких энергиях. Распад К0 и K0-мезонов происходит в результате слабого взаимодействия. При этом наблюдается ситуация показанная схематически на рисунке.

Если пучком π−-мезонов обстреливать мишень, то в результате реакции (1) из мишени будут вылетать Λ-гипероны и K0-мезоны. Так как время жизни Λ-гиперона 2.6·10-10 с, он распадается вблизи мишени на протон и pi--мезон.

Λ → π− + p.

(4)

Вблизи мишени наблюдаются и вилки π−π+ от распадов K0-мезонов

K0 → π− + π+.

(5)

Однако такие распады наблюдаются лишь для 50% образовавшихся K0-мезонов. В оставшихся 50% случаев K0 распадается гораздо дальше от мишени на 3π-мезона.
Проанализируем выполнение закона сохранения комбинированной четности в распадах К0-мезонов на 2 и 3 π-мезона.
    Состояния К0 и K0 не имеют определенного значения СР-четности. Действие операторов СР на волновые функции К0 и K0 можно записать в виде:

Ĉ|К0> = -|K0>,  Ĉ|K0> = -|К0>, 
op_p.gif (76 bytes)|К0> = -|К0>,    op_p.gif (76 bytes)|K0> = -|K0>,
Ĉop_p.gif (76 bytes) |К0> = |K0>,  Ĉop_p.gif (76 bytes)|K0> = |К0>,

Однако из состояний К0 и K0 можно построить линейную комбинацию и , имеющую определенные значения СР-четности:

,
.

K1 и K2 не являются частицей и античастицей и поэтому могут иметь разные характеристики распада.
СР-четности состояний и

Ĉ op_p|> =  +1|>,
Ĉ op_p|> =  -1|>.

    Двухпионные π+π− и трехпионные π+π−π0 системы при нулевом орбитальном моменте l являются собственными состояниями op_cop_p-оператора. Для двухпионной системы

π+π− система, l = 0.

Операция P эквивалентна обмену π+π−-мезонов местами. При таком обмене волновая функция приобретает множитель(-1)l.

op_p|π+π−> = op_p|π+> op_p|π−> (-1)l = +1 |π+π−>.

Операция C превращает π+ в π− и π− в π+, т.е. она тоже эквивалентна обмену обмену π+π−--мезонов местами.

Ĉ |π+π−> =  (-1)l|π+π−> = +1|π+π−>,
Ĉ op_p|π+π−> =  (-1)2l |π+π−> = |π+π−> .

Собственное значение Ĉop_p-оператора двухпионной системы (l = 0) равно +1.

Для трехпионной системы

π+π−pi0 система, l = 0.
op_p|π+π−pi0> = op_p|π+> op_p|π−> op_p|π0> (-1)l = -1 |π+π−π0>,
Ĉ |π+π−π0> = |π+π−π0> (-1)l = +1|π+π−π0>,
Ĉ op_p|π+π−π0> =  -1|π+π−π0>.

Собственное значение op_cop_p-оператора трехпионной системы (l = 0) равно -1 .
Таким образом, состояния |> и |> имеют определенные значения CP-четности, но не имеют определенного значения странности s.
В свою очередь можно записать

|К0> = (|> + |>)/sqr2,
|K0> = (|> - |>)/sqr2.

Т.е. каждая из частиц K0 и K0 является суперпозицией состояний и . Т.к. CP() = +1, в соответствии с законом сохранения комбинированной четности, распадается на 2 π-мезона. Среднее время жизни состояния tau() ~ 0.9·10-19 с. В свою очередь CP() = -1, поэтому распадается на 3 π-мезона, также без нарушения комбинированной четности. Время жизни должно быть больше времени жизни из-за меньшего фазового объема для продуктов распада
(
τ() ~ 5·10-8 с). Т.к. K0-мезон на 50% состоит из компоненты , то вблизи мишени наблюдаются распады этой компоненты на 2π-мезона. На большем растоянии от мишени наблюдается распад компоненты на 3π-мезона.
    В природе существует две линейно независимые комбинации состояний и , которые отвечают частицам с различными массами и средним временем жизни:

m(К0) = 497.67 МэВ
τ() = 5.2·10-8 c,
τ() = 0.9·10-10 c.

Основные каналы распада

---->

π+π− 68.6%,
π0π0 31.4%

Основные каналы распада

---->

π0π0π0 21.1%,
π+π−-π0 12.6%
π+мю−антинейтриноμ,
π−мю+νμ
27.1%
π+е−aneutrino.gif (63 bytes)e,
π−e+nue
38.8%

Разность масс и

m() - m() =(3.491 + 0.009)·10-12 МэВ.

Если бы СР-инвариантность имеет место, можно считать:

|>| ≡ |>,  |> ≡ |>.

Однако, в 1964 г. было обнаружено, что существует малая, но конечная вероятность распада:

 ------> π+ + π−-,

в котором собственное значение Ĉop_p-оператора в конечном состоянии, как мы уже показали, имеет СР = +1:

Этот результат означает, что нельзя отождествлять состояние с и с
    Вместо этого можно следующим образом определить состояния и


где ε1 и ε2 - малые комплексные числа.


Ядерная физика в Интернете
Содержание

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru

18.01.17