En física de partículas , un kaon ( / ˈ k eɪ . ɒ n / ), también llamado mesón K y denotado
k
, [a] es cualquiera de un grupo de cuatro mesones distinguidos 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 con el Premio Nobel de Física en 2008). Los kaones han desempeñado un papel destacado en nuestra comprensión de las leyes fundamentales de conservación : la violación de 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 directa de CP fue descubierta en las desintegraciones de kaon a principios de la década de 2000 mediante el experimento NA48 en el CERN y el experimento KTeV en Fermilab .
Los cuatro kaones son:
Como muestra el modelo de quarks , se asigna que los kaones forman dos dobletes de isospin ; 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).
[*] 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 kaones neutros). [†] ^ Estado propio débil . Al maquillaje le falta un pequeño término que viola el CP (ver mezcla de kaones neutros). [‡] ^ La masa del
k0
litrosy
k0S
se dan como el de la
k0
. Sin embargo, se sabe que una diferencia relativamente pequeña entre las masas de los
k0
litrosy
k0S
del orden deExiste 3,5 × 10 −6 eV/ c 2 . [6]
Aunque el
k0
y su antipartícula
k0
Generalmente se producen gracias a la fuerza fuerte , pero se desintegran débilmente . Por lo tanto, una vez creados, es mejor considerarlos como superposiciones de dos estados propios débiles que tienen vidas muy diferentes:
( Consulte 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 de CP (ver más abajo).
Principales modos de decaimiento para
k+
:
Modos de caída para el
k−
son cargas conjugadas de las anteriores.
Se encontraron dos desintegraciones diferentes para mesones extraños cargados:
La paridad intrínseca de un pion es P = −1 y la paridad es un número cuántico multiplicativo. Por tanto, los dos estados finales tienen diferente paridad (P = +1 y P = −1, respectivamente). Se pensaba que los estados iniciales también deberían tener paridades diferentes y, por tanto, ser dos partículas distintas. Sin embargo, con mediciones cada vez más precisas, no se encontró diferencia entre las masas y vidas de cada una, respectivamente, lo que indica que se trata de la misma partícula. Esto se conoció como el rompecabezas τ–θ . Sólo se resolvió mediante el descubrimiento de una violación de la paridad en las interacciones débiles . Dado que los mesones se desintegran mediante interacciones débiles, la paridad no se conserva y las dos desintegraciones son en realidad desintegraciones de la misma partícula, [7] ahora llamada partícula.
k+
.
El descubrimiento de hadrones con el número cuántico interno "extrañeza" marca el comienzo de una época muy apasionante 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 se produjeron de forma inesperada o incluso en contra de las expectativas expresadas por los teóricos. — Bigi y Sanda (2016) [8]
Mientras buscaba el hipotético mesón nuclear , Louis Leprince-Ringuet encontró evidencia de la existencia de una partícula más pesada cargada positivamente en 1944. [9] [10]
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 desintegrándose en dos piones cargados, y otra que parecía ser una partícula cargada desintegrándose. en un pion 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 V" tardaron en llegar.
En 1949, Rosemary Brown (más tarde Rosemary Fowler ), una estudiante de investigación en el grupo de CF Powell en Bristol, descubrió su huella 'k', formada por una partícula de masa muy similar que se descompuso en tres piones. [11] (p82) Esto llevó al llamado problema 'tau-theta': lo que parecían ser las mismas partículas (ahora llamadas
k+
) decayó en dos modos diferentes, Theta a dos piones (paridad +1), Tau a tres piones (paridad -1). [11] La solución a este enigma resultó ser que las interacciones débiles no conservan la paridad .
El primer avance se obtuvo en Caltech , donde se instaló una cámara de niebla en el Monte Wilson , para una mayor exposición a los rayos cósmicos. En 1950, se informaron 30 "partículas V" cargadas y 4 neutras. Inspirados por esto, se realizaron numerosas observaciones en las cimas de las montañas durante los años siguientes, y en 1953 se utilizaba la siguiente terminología: "mesón L" para muón o pión cargado ; "Mesón K" significaba una partícula de masa intermedia entre el pión y el nucleón .
Leprince-Rinquet acuñó el término " hiperón " , todavía utilizado, 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 típicas son del orden de10 −10 s . Sin embargo, la producción en reacciones pion - protón ocurre 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 las interacciones fuertes pero es violado por las interacciones débiles . Las partículas extrañas aparecen copiosamente debido a la "producción asociada" de una partícula extraña y una antiextraña juntas. Pronto se demostró que no podía ser un número cuántico multiplicativo , porque permitiría reacciones que nunca se habían visto en los nuevos sincrotrones que se encargaron en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 1953 y en el Laboratorio Lawrence Berkeley en 1955.
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 neutros; Este fenómeno no requiere una violación del CP, pero es el contexto en el que se observó por primera vez la violación del CP.
Dado que los kaones neutros conllevan extrañeza, no pueden ser sus propias antipartículas. Debe haber entonces dos kaones neutros diferentes, que se diferencian por dos unidades de extrañeza. La cuestión entonces era cómo establecer la presencia de estos dos mesones. La solución utilizó un fenómeno llamado oscilaciones de partículas neutras , mediante el cual estos dos tipos de mesones pueden pasar de uno a otro a través de interacciones débiles, lo que hace que se descompongan 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 invariante CP de estados con extrañeza opuesta. En notación matricial se puede escribir
donde ψ es un estado cuántico del sistema especificado por las amplitudes del ser en cada uno de los dos estados básicos (que son a y b en el momento t = 0). Los elementos diagonales ( M ) del hamiltoniano se deben a una 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 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 oscilarán siempre hacia adelante y hacia atrás. 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.
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, sólo el K 1 puede decaer de esta manera. El K 2 debe desintegrarse en tres piones. [12]
Dado que la masa de K 2 es sólo un poco mayor que la suma de las masas de tres piones, esta desintegración ocurre muy lentamente, aproximadamente 600 veces más lentamente que la desintegración de K 1 en dos piones. Estos dos modos diferentes de desintegración fueron observados por Leon Lederman y sus compañeros de trabajo en 1956, estableciendo la existencia de dos estados propios débiles (estados con vidas definidas bajo desintegraciones a través de la fuerza débil ) de los kaones neutrales.
Estos dos estados propios débiles se denominan
k
l(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
l = K 2 .
Un haz inicialmente puro de
k0
se convertirá en su antipartícula,
k0
, mientras se propaga, que volverá a convertirse en la partícula original,
k0
, etcétera. Esto se llama oscilación de partículas. Al observar la desintegración débil en leptones , se encontró que un
k0
siempre se desintegró en un positrón, mientras que la antipartícula
k0
desintegró en el electrón. El análisis anterior arrojó una relación entre la tasa de producción de electrones y positrones a partir de fuentes de puro
k0
y su antipartícula
k0
. El análisis de la dependencia temporal de esta desintegración semileptónica mostró el fenómeno de oscilación y permitió extraer la división de masa entre las
k
Sy
k
l. Dado que 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 . [13]
Un haz de kaones neutros se desintegra en vuelo, de modo que los efímeros
k
Sdesaparece, dejando un rayo de pura longevidad.
k
l. Si este rayo se dispara hacia la materia, entonces el
k0
y su antipartícula
k0
interactúan de manera diferente con los núcleos. El
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 realizan los dos componentes por separado. El haz emergente contiene entonces diferentes superposiciones lineales de las partículas.
k0
y
k0
. Esta superposición es una mezcla de
k
ly
k
S; el
k
SSe regenera pasando un haz de kaón neutro a través de la materia. [14] La regeneración fue observada por Oreste Piccioni y sus colaboradores en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . [15] Poco después, Robert Adair y sus compañeros de trabajo informaron un exceso
k
Sregeneración, abriendo así un nuevo capítulo en esta historia.
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
len dos piones ( CP = +1) en un experimento realizado en 1964 en el Sincrotrón de gradiente alterno del laboratorio Brookhaven . [16] 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, inmediatamente sugirió 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 del CP como la única posibilidad. Cronin y Fitch recibieron el Premio Nobel de Física por este descubrimiento en 1980.
Resulta que aunque el
k
ly
k
Sson estados propios débiles (porque tienen vidas definidas para la descomposición a través de la fuerza débil), no son estados propios de CP . En cambio, para ε pequeño (y hasta la normalización),
y de manera similar para
k
S. Así, ocasionalmente el
k
ldecae como un K 1 con CP = +1, y de la misma manera el
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 directa de CP , en el que la violación de CP ocurre durante la propia decadencia. Ambos están presentes, porque tanto la mezcla como la desintegración 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 fue descubierta en las desintegraciones de kaon a principios de la década de 2000 mediante los experimentos NA48 y KTeV en el CERN y Fermilab. [17]
Una forma de solucionar la dificultad es suponer que la paridad no se conserva estrictamente, de modo que
Θ+
y
τ+
Hay dos modos diferentes de desintegración de la misma partícula, que necesariamente tiene un único valor de masa y una única vida útil.
Medios relacionados con Kaon en Wikimedia Commons