Caón

Partícula cuántica

La desintegración de un kaón (
K⁺
) en tres piones  (2 
π⁺
, 1 
π⁻
) es un proceso que involucra interacciones débiles y fuertes . Interacciones débiles  : El antiquark extraño  (
s
) del kaon se transmuta en un antiquark up  (
tú
) por la emisión de una
Yo⁺
bosón ; el
Yo⁺
El bosón posteriormente se desintegra en un antiquark descendente   (
d
) y un quark arriba  (
tú
). Interacciones fuertes : Un quark arriba (
tú
) emite un gluón  (
gramo
) que se desintegra en un quark abajo (
d
) y un antiquark hacia abajo (
d
).

En física de partículas , un kaón , también llamado mesón K y denotado
K
, ^[a] 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 hadrones y la teoría de la mezcla de quarks (esta última fue reconocida con un Premio Nobel de Física en 2008). Los kaones han desempeñado un papel destacado en nuestra comprensión de las leyes fundamentales de conservación : la violación CP , un fenómeno que genera la asimetría materia-antimateria observada en el universo, fue descubierta en el sistema de kaones en 1964 (que fue reconocida con un Premio Nobel en 1980). Además, la violación CP directa fue descubierta en las desintegraciones de kaones a principios de la década de 2000 por el experimento NA48 en el CERN y el experimento KTeV en Fermilab .

Propiedades básicas

Los cuatro kaones son:

1. 
   K⁻
   , cargado negativamente (que contiene un quark extraño y un antiquark up ) tiene masa493,677 ± 0,013 MeV y vida media (1,2380 ± 0,0020) × 10 ⁻⁸  s .
2. 
   K⁺
   ( la antipartícula de lo anterior) cargada positivamente (que contiene un quark up y un antiquark extraño ) debe (por invariancia CPT ) tener masa y duración de vida iguales a las de
   K⁻
   Experimentalmente, la diferencia de masa es0,032 ± 0,090 MeV , consistente con cero; la diferencia en vidas medias es(0,11 ± 0,09) × 10 ⁻⁸  s , también consistente con cero.
3. 
   K⁰
   , 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  fm2 .​
4. 
   K⁰
   , 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 el
K⁺
y el
K⁰
Las antipartículas forman el otro doblete (de extrañeza −1).

Estructura quark del kaón (K ⁺ ).

^[*] Ver Notas sobre kaones neutros en el artículo Lista de mesones y mezcla de kaones neutros, a continuación.
^[§] ^ Estado propio fuerte . Sin tiempo de vida definido (ver mezcla de kaones neutros). ^[†] ^ Estado propio débil . Falta un pequeño término violador de CP en la composición (ver mezcla de kaones neutros). ^[‡] ^ La masa del


K⁰
_litrosy
K⁰
_Sse dan como los de la
K⁰
. Sin embargo, se sabe que existe una diferencia relativamente pequeña entre las masas de los
K⁰
_litrosy
K⁰
_SaproximadamenteExiste una fuerza de 3,5 × 10 ⁻⁶  eV/ c ² . ^[6]

Aunque el
K⁰
y su antipartícula
K⁰
Por lo general, se producen mediante la interacción fuerte y se desintegran débilmente . Por lo tanto, una vez creados, es mejor pensar en ambos como superposiciones de dos estados propios débiles que tienen duraciones de vida muy diferentes:

• El kaón neutral de larga duración se llama
  K
  _yo("K-long"), se desintegra principalmente en tres piones y tiene una vida media de5,18 × 10 ⁻⁸  s .
• El kaón neutral de vida corta se llama
  K
  _S("K-corto"), se desintegra principalmente en dos piones y tiene una vida media8,958 × 10 ⁻¹¹  s .

  

  Estructura del quark del antikaón (K ⁻ ).

( Véase la discusión sobre la mezcla de kaones neutros a continuación ) .

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

Principales modos de desintegración para
K⁺
:

Estructura quark del kaón neutro (K ⁰ ).

Modos de decaimiento para el
K⁻
son conjugados de carga de los anteriores.

Violación de paridad

Se encontraron dos desintegraciones diferentes para los mesones extraños cargados en piones :

La paridad intrínseca del pión es P = −1 (ya que el pión es un estado ligado de un quark y un antiquark, que tienen paridades opuestas, con momento angular cero), y la paridad es un número cuántico multiplicativo. Por lo tanto, suponiendo que la partícula madre tiene espín cero, los estados finales de dos piones y tres piones tienen paridades diferentes (P = +1 y P = −1, respectivamente). Se pensó que los estados iniciales también deberían tener paridades diferentes y, por lo tanto, ser dos partículas distintas. Sin embargo, con mediciones cada vez más precisas, no se encontró ninguna diferencia entre las masas y los tiempos de vida de cada uno, respectivamente, lo que indica que son la misma partícula. Esto se conoció como el rompecabezas τ–θ . Se resolvió solo con el descubrimiento de la violación de la paridad en interacciones débiles (lo más importante, mediante el experimento de Wu ). 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, ^[7] ahora llamada el
K⁺
.

Historia

El descubrimiento de hadrones con la "extrañeza" del número cuántico interno marca el comienzo de una época muy apasionante en la física de partículas que incluso ahora, cincuenta años después, aún no ha llegado a su conclusión... en general, los experimentos han impulsado el desarrollo, y los descubrimientos más importantes llegaron de manera inesperada o incluso en contra de las expectativas expresadas por los teóricos. — Bigi & Sanda (2016) ^[8]

Mientras buscaba el hipotético mesón nuclear , Louis Leprince-Ringuet encontró evidencia de la existencia de una partícula más pesada con carga positiva en 1944. ^{[9] [10]}

En 1947, GD Rochester y CC Butler, de la Universidad de Manchester, publicaron dos fotografías de eventos inducidos por rayos cósmicos en una cámara de niebla : una mostraba lo que parecía ser una partícula neutra desintegrándose en dos piones cargados, y otra que parecía ser una partícula cargada desintegrándose en un pión cargado y algo neutro. La masa estimada de las nuevas partículas era muy aproximada, aproximadamente la mitad de la masa de un protón. Tardaron en aparecer más ejemplos de estas "partículas V".

La "placa de la pista k" muestra el modo de desintegración de tres piones de un kaón. El kaón entra por la izquierda y se desintegra en el punto marcado como A

En 1949, Rosemary Brown (más tarde Rosemary Fowler), una estudiante de investigación de Cecil Powell de la Universidad de Bristol , descubrió su rastro "k", hecho por una partícula de masa muy similar que se desintegró en tres piones. ^{[11] [12] (p82)}

Supe de inmediato que era algo nuevo y que sería muy importante. Estábamos viendo cosas que no se habían visto antes: eso es lo que significa la investigación en física de partículas. Fue muy emocionante. — Fowler (2024) ^[11]

Esto condujo al llamado problema 'tau-theta': ^[13] lo que parecía ser la misma partícula (ahora llamada
K⁺
) se desintegra en dos modos diferentes: Theta en dos piones (paridad +1), Tau en tres piones (paridad −1). ^[12] La solución a este problema resultó ser que las interacciones débiles no conservan la paridad . ^[7]

El primer avance se logró en Caltech , donde se instaló una cámara de nubes en el monte Wilson para lograr una mayor exposición a los rayos cósmicos. En 1950, se informó de la existencia de 30 "partículas V" cargadas y 4 neutrales. Inspirados por esto, se realizaron numerosas observaciones en la cima de las montañas durante los siguientes años 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 " hiperón ", todavía en uso, para referirse a cualquier partícula más pesada que un nucleón. ^{[9] [10]} La partícula de Leprince-Ringuet resultó ser el mesón K ^{+ . [9] [10]}

Las desintegraciones fueron extremadamente lentas; las vidas medias típicas son del orden de10 ⁻¹⁰  s . Sin embargo, la producción en reacciones pión - protón avanza mucho más rápido, con una escala de tiempo de10 ⁻²³  s . El problema de este desajuste fue resuelto por Abraham Pais, quien postuló el nuevo número cuántico llamado " extrañeza ", que se conserva en interacciones fuertes pero se viola en interacciones débiles . Las partículas extrañas aparecen abundantemente debido a la "producción asociada" de una partícula extraña y una antiextraña juntas. Pronto se demostró que esto no podía ser un número cuántico multiplicativo , porque eso permitiría reacciones que nunca se vieron en los nuevos sincrotrones que se pusieron en servicio en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 1953 y en el Laboratorio Lawrence Berkeley en 1955.

Violación de CP en oscilaciones de mesones neutros

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

Mezcla de kaones neutros

Dos mesones K neutros diferentes, portadores de distinta extrañeza, pueden pasar de uno a otro a través de interacciones débiles , ya que estas interacciones no conservan la extrañeza. El quark extraño en el anti-
K⁰
se convierte en un quark down al absorber sucesivamente dos bosones W de carga opuesta. El antiquark down en el anti-
K⁰
se convierte en un extraño antiquark al emitirlos.

Como los kaones neutros tienen una extraña característica, no pueden ser sus propias antipartículas. Debe haber dos kaones neutros diferentes, que difieran en dos unidades de extrañeza. La cuestión era entonces cómo establecer la presencia de estos dos mesones. La solución utilizaba 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, que hacen que se desintegren en piones (véase la figura adyacente).

Estas oscilaciones fueron investigadas por primera vez por Murray Gell-Mann y Abraham Pais juntos. Ellos consideraron la evolución temporal invariante CP de estados con extrañeza opuesta. En notación matricial se puede escribir

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

donde ψ es un estado cuántico del sistema especificado por las amplitudes de estar en cada uno de los dos estados base (que son a y b en el tiempo t  = 0). Los elementos diagonales ( M ) del hamiltoniano se deben a la física de interacción fuerte que conserva la extrañeza. Los dos elementos diagonales deben ser iguales, ya que la partícula y la antipartícula tienen masas iguales en ausencia de las interacciones débiles. Los elementos fuera de la diagonal, que mezclan partículas de extrañeza 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 oscilarán siempre 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 diferencia de los dos estados de extrañeza opuesta, y K ₂ , que es la suma. 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 el K ₁ puede decaer de esta manera. El K ₂ debe decaer en tres piones. ^[14]

Como la masa de K ₂ es apenas un poco mayor que la suma de las masas de tres piones, esta desintegración se produce muy lentamente, unas 600 veces más lenta que la desintegración de K ₁ en dos piones. Leon Lederman y sus colaboradores observaron estos dos modos diferentes de desintegración en 1956, estableciendo la existencia de los dos estados propios débiles (estados con tiempos de vida definidos bajo desintegraciones a través de la fuerza débil ) de los kaones neutros.

Estos dos estados propios débiles se denominan
K
_yo(K-largo, τ) y
K
_S(K-corto, θ). La simetría CP , que se asumió en ese momento, implica que
K
_S =  K ₁ y
K
_yo =  K2 ._​

Oscilación

Un haz inicialmente puro de
K⁰
se convertirá en su antipartícula,
K⁰
, mientras se propaga, que volverá a convertirse en la partícula original,
K⁰
, y así sucesivamente. Esto se llama oscilación de partículas. Al observar la desintegración débil en leptones , se descubrió que una
K⁰
siempre se desintegra en un positrón, mientras que la antipartícula
K⁰
desintegrado en electrones. El análisis anterior arrojó una relación entre la tasa de producción de electrones y positrones a partir de fuentes de
K⁰
y su antipartícula
K⁰
El análisis de la dependencia temporal de esta desintegración semileptónica mostró el fenómeno de oscilación y permitió la extracción de la división de masa entre los
K
_Sy
K
_yo. Como esto se debe a interacciones débiles, es muy pequeño, 10 ⁻¹⁵ veces la masa de cada estado, es decir, ∆M _K = M(K _L ) − M(K _S ) = 3,484(6)×10 ⁻¹² MeV . ^[15]

Regeneración

Un haz de kaones neutrales se desintegra en vuelo, de modo que los de corta duración
K
_Sdesaparece, dejando un rayo de luz pura y duradera
K
_yoSi este rayo se dispara a la materia, entonces
K⁰
y su antipartícula
K⁰
interactúan de manera diferente con los núcleos.
K⁰
sufre una dispersión cuasi elástica con nucleones , mientras que su antipartícula puede crear hiperones . La coherencia cuántica entre las dos partículas se pierde debido a las diferentes interacciones que los dos componentes realizan por separado. El haz emergente contiene entonces diferentes superposiciones lineales de las
K⁰
y
K⁰
Tal superposición es una mezcla de
K
_yoy
K
_S; el
K
_Sse regenera al pasar un haz de kaones neutros a través de la materia. ^[16] La regeneración fue observada por Oreste Piccioni y sus colaboradores en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . ^[17] Poco después, Robert Adair y sus colaboradores informaron sobre el exceso
K
_Sregeneración, abriendo así un nuevo capítulo en esta historia.

Violación de CP

Al intentar verificar los resultados de Adair, J. Christenson, James Cronin , Val Fitch y Rene Turlay de la Universidad de Princeton encontraron desintegraciones de
K
_yoen dos piones ( CP  = +1) en un experimento realizado en 1964 en el Sincrotrón de Gradiente Alternado del laboratorio Brookhaven . ^[18] Como se explicó en una sección anterior, esto requirió que los estados inicial y final asumidos tuvieran diferentes valores de CP y, por lo tanto, sugirió inmediatamente la violación de CP . Las explicaciones alternativas como la mecánica cuántica no lineal y una nueva partícula no observada ( hiperfotón ) pronto se descartaron, 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 el
K
_yoy
K
_Sson estados propios débiles (porque tienen tiempos de vida definidos para desintegrarse por la fuerza débil), no son exactamente estados propios CP . En cambio, para ε pequeños (y hasta la normalización),

K
_yo= K2 + εK1_​​

y de manera similar para
K
_S. Así que, ocasionalmente, el
K
_yose desintegra como un K ₁ con CP  = +1, y de la misma manera
K
_Spuede decaer con CP  = −1. Esto se conoce como violación indirecta de CP , violación de CP debido a la mezcla de
K⁰
y su antipartícula. También existe un efecto de violación CP directa , en el que la violación CP ocurre durante la desintegración misma. Ambos están presentes, porque tanto la mezcla como la desintegración surgen de la misma interacción con el bosón W y, por lo tanto, tienen violación CP predicha por la matriz CKM . La violación CP directa fue descubierta en las desintegraciones de kaones a principios de la década de 2000 por los experimentos NA48 y KTeV en el CERN y Fermilab. ^[19]

Véase también

• Hadrones , mesones , hiperones y sabor
• El quark extraño y el modelo de quarks
• Paridad (física) , conjugación de carga , simetría de inversión temporal , invariancia CPT y violación CP
• Oscilación de neutrinos
• Oscilación de partículas neutras

Notas al pie

1. Hasta la década de 1960, el kaón con carga positiva se denominaba τ ⁺ o θ ⁺ , ya que se creía que eran dos partículas diferentes. Véase el § Violación de paridad.

Referencias

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2. Zyla, Pensilvania; et al. (2020). "Listados de partículas - K0" (PDF) .
3. Zyla, Pensilvania; et al. (2020). "Listados de partículas - K0S" (PDF) .
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6. Zyla, PA; et al. (2020). "Listados de partículas - K0L" (PDF) .
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   O⁺
   y
   τ⁺
   son dos modos de desintegración diferentes de la misma partícula, que necesariamente tiene un único valor de masa y una única vida útil.
8. Bigi, II; Sanda, AI (6 de octubre de 2016). Violación de CP . Cambridge Monographs on Particle Physics, Nuclear Physics, and Cosmology. Vol. 28 (5.ª ed.). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-44349-4.
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13. Sheehy, Suzie (15 de enero de 2024). «Cómo el descubrimiento de un físico olvidado rompió la simetría del universo». Nature . 625 (7995): 448–449. Bibcode :2024Natur.625..448S. doi :10.1038/d41586-024-00109-5 . Consultado el 23 de julio de 2024 .
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Bibliografía

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Enlaces externos

• El mesón K neutro – Las conferencias Feynman sobre física
• Medios relacionados con Kaon en Wikimedia Commons