Исследования свойств нейтральных K0
и K0-мезонов
представляет особый интерес, т.к. они позволяют изучить ряд уникальных
проявлений принципов квантовой механики.
Линейные комбинации двух состояний также является состоянием системы. K0
и K0
можно представить как суперпозицию двух других состояний K1 и K2.
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 d, а
K0
- s.
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 --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:
Собственное значение -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> = (|>
+ |>)/,
|K0>
= (|> - |>)/.
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 () ~ 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: