Kaon

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 arriba o abajo (o quark).

Los kaones han demostrado ser una fuente abundante de información sobre la naturaleza de las interacciones fundamentales desde su descubrimiento por George Rochester y Clifford Butler en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Manchester en rayos cósmicos en 1947. Fueron esenciales para establecer los fundamentos del Modelo Estándar de la física de partículas, como el modelo de quarks de los hadrones y la teoría de la mezcla de quarks (esta última reconocida con el Premio Nobel de Física en 2008). Los kaones han desempeñado un papel destacado en la comprensión de las leyes fundamentales de conservación . La violación de la simetría de paridad de conjugación de carga (CP) , un requisito en cualquier teoría para explicar la asimetría materia-antimateria observada en el universo, fue descubierta en el sistema de kaones en 1964 (lo cual fue reconocido con el Premio Nobel en 1980). Además, la violación directa de CP 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 .

Los cuatro kaones son:

1. K ⁻, cargado negativamente (que contiene un quark extraño y un antiquark arriba ) tiene masa493,677 ± 0,013  MeV/ c² y vida ^media(1,2380 ± 0,0020) × 10 ⁻⁸  s .
2. K ⁺( antipartícula de lo anterior) cargada positivamente (que contiene un quark up y un antiquark strange ) debe (por invariancia CPT ) tener masa y vida media iguales a las de K ⁻Experimentalmente, la diferencia de masa es0,032 ± 0,090  MeV/ c² , consistente con cero; la diferencia en las vidas medias ^es(0,11 ± 0,09) × 10 ⁻⁸  s , también consistente con cero.
3. K ⁰, con carga neutra (que contiene un quark down y un antiquark strange) tiene masa497,648 ± 0,022  MeV/ c² ^. Tiene un radio de carga cuadrático medio de−0,076 ± 0,01 fm ²  .
4. K ⁰, cargada neutramente (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 K ⁰. Las antipartículas forman el otro doblete (de extrañeza − 1).

^[*] Véase Notas sobre kaones neutros en el artículo Lista de mesones y mezcla de kaones neutros , más abajo. ^[§] ^ Autoestado fuerte . Sin vida media definida (véase mezcla de kaones neutros ). ^[†] ^ Autoestado débil . Falta un pequeño término de violación de CP en la composición (véase mezcla de kaones neutros ). ^[‡] ^ La masa de los K ⁰ _L y K ⁰ _S se da como la del K ⁰Sin embargo, se sabe que existe una diferencia relativamente pequeña entre las masas de K ⁰ _L y K ⁰ _S del orden de Existe 3,5 × 10 ⁻⁶ eV/ c ^{2. [ 6 ]}

Aunque el K ⁰y su antipartícula K ⁰Por lo general, se producen mediante la fuerza fuerte y se desintegran débilmente . Por lo tanto, una vez creados, es mejor considerarlos como superposiciones de dos autoestados débiles que tienen vidas medias muy diferentes:

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

  

( Véase la discusión sobre la mezcla de kaones neutros más adelante ) .

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

Modos de desintegración principales para K ⁺:

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

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, asumiendo que la partícula progenitora tiene espín cero, los estados finales de dos piones y tres piones tienen paridades diferentes (P  =  +1 y P  =  −1, respectivamente). Se pensaba 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 las vidas medias de cada una, respectivamente, lo que indica que son la misma partícula. Esto se conoció como el enigma τ–θ ( enigma tau–theta ). ^{[ 7 ]} Se resolvió solo con el descubrimiento de la violación de la paridad en la interacción débil (de manera más significativa, por el experimento de Wu ). 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, ^{[ 8 ]} ahora llamada K ⁺.

El descubrimiento de hadrones con el número cuántico interno "extrañeza" marca el comienzo de una época apasionante en la física de partículas que, incluso ahora, cincuenta años después, aún no ha llegado a su fin... En general, los experimentos han impulsado el desarrollo, y los descubrimientos más importantes se produjeron de forma inesperada o incluso en contra de las expectativas expresadas por los teóricos.  —  Bigi y Sanda (2016) ^{[ 9 ]}

Mientras buscaba el hipotético mesón nuclear , Louis Leprince-Ringuet encontró evidencia de la existencia de una partícula más pesada con carga positiva en 1944. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

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

En 1949, Rosemary Brown (más tarde Rosemary Fowler), estudiante de investigación de Cecil Powell de la Universidad de Bristol , detectó su  traza 'k', producida por una partícula de masa muy similar que se desintegró en tres piones. ^{[ 12 ] [ 13 ] (p82)}

Supe de inmediato que era algo nuevo y muy importante. Estábamos viendo cosas que no se habían visto antes ; de eso se trataba la investigación en física de partículas. Era muy emocionante.  —  Fowler (2024) ^{[ 12 ]}

Esto condujo al llamado problema 'tau-theta': ^{[ 14 ]} lo que parecía ser la misma partícula (ahora llamada K ⁺) se desintegró en dos modos diferentes, Theta a dos piones (paridad +1), Tau a tres piones (paridad −1). ^{[ 13 ]} La solución a este enigma resultó ser que las interacciones débiles no conservan la paridad . ^{[ 8 ]}

El primer avance se logró en Caltech , donde se instaló una cámara de niebla en el Monte Wilson para una mayor exposición a los rayos cósmicos. En 1950, se reportaron 30 partículas V  cargadas y 4  neutras. Inspirados por esto, se realizaron numerosas observaciones desde la cima de la montaña durante los años siguientes, y para 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-Ringuet acuñó el término aún en uso " hiperón " para referirse a cualquier partícula más pesada que un nucleón. ^{[ 10 ] [ 11 ]} La partícula de Leprince-Ringuet resultó ser el mesón K ^{+ . [ 10 ] [ 11 ]} 

Las desintegraciones fueron extremadamente lentas; las vidas medias típicas son del orden de10 ⁻¹⁰  s . Sin embargo, la producción en reacciones pion - protón procede mucho más rápido, con una escala de tiempo de10 ⁻²³  s . El problema de esta discrepancia 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 esto no podía ser un número cuántico multiplicativo , porque eso permitiría reacciones que nunca se observaron en los nuevos sincrotrones que se pusieron en marcha en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 1953 y en el Laboratorio Lawrence Berkeley en 1955.

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

Mezcla de kaones neutros

Dado que los kaones neutros poseen extrañeza, no pueden ser sus propias antipartículas. Por lo tanto, deben existir dos kaones neutros diferentes, que se diferencien en dos unidades de extrañeza. La cuestión era entonces cómo establecer la presencia de estos dos mesones. La solución se basó en un fenómeno llamado oscilaciones de partículas neutras , mediante el cual estos dos tipos de mesones pueden transformarse uno en otro a través de las interacciones débiles, que provocan su desintegración en piones (véase la figura adjunta).

Estas oscilaciones fueron investigadas por primera vez por Murray Gell-Mann y Abraham Pais en conjunto. 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 instante 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 interacciones débiles. Los elementos fuera de la diagonal, que mezclan partículas de extrañeza opuesta, se deben a interacciones débiles; la simetría CP exige que sean reales.

La consecuencia de que la matriz H sea real es que las probabilidades de los dos estados oscilarán indefinidamente. Sin embargo, si alguna parte de la matriz fuera imaginaria, lo cual está prohibido por la simetría CP, entonces parte de la combinación disminuirá con el tiempo. La parte que disminuye puede ser uno de los componentes ( a ), el otro ( b ) o una mezcla de ambos.

Mezclando

Los autoestados se obtienen diagonalizando esta matriz. Esto da nuevos autovectores, 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 autoestados de CP con autovalores 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. K ₂ debe decaer en tres piones. ^{[ 15 ]}

Dado que la masa del K₂ es _solo un poco mayor que la suma de las masas de tres piones, esta desintegración se produce muy lentamente, aproximadamente 600 veces más lentamente que la desintegración del _K₁ en dos piones. Estos dos modos de desintegración diferentes fueron observados por Leon Lederman y sus colaboradores en 1956, lo que estableció la existencia de los dos autoestados débiles (estados con tiempos de vida definidos en las desintegraciones por la fuerza débil) de los kaones neutros.

Estos dos autoestados débiles se denominan K_L (K-longitud, τ) yK_S (K-corto, θ). La simetría CP, que se asumió en ese momento, implica queK_S  =K₁yK _L  =K₂. 

Oscilación

Un haz inicialmente puro de K ⁰se convertirá en su antipartícula, K ⁰, mientras se propaga, que volverá a convertirse en la partícula original, K ⁰y así sucesivamente. Esto se llama oscilación de partículas. Al observar la desintegración débil en leptones , se encontró que un K ⁰siempre se desintegraba en un positrón, mientras que la antipartícula K ⁰se desintegró en el electrón. El análisis anterior arrojó una relación entre la tasa de producción de electrones y positrones a partir de fuentes de K ^{0 puro.}y su antipartícula K ⁰El análisis de la dependencia temporal de esta desintegración semileptónica mostró el fenómeno de oscilación y permitió la extracción del desdoblamiento de masa entre el K_S yK_L . Dado que esto se debe a interacciones débiles, es muy pequeño, 10⁻¹⁵veces la masa de cada estado, es decir∆M_K=M(K_L)−M(K_S) =(3,484 ± 6) × 10 ⁻¹²  MeV/ c ² . ^{[ 16 ]}

Regeneración

Un haz de kaones neutros se desintegra en vuelo de modo que el K de corta duración_S desaparece, dejando un haz de Kpuro y de larga duración._L. Si este haz se dispara contra la materia, entoncesK ⁰y su antipartícula K ⁰interactúan de manera diferente con los núcleos. El K ⁰sufre 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 en las que participan por separado los dos componentes. El haz emergente contiene entonces diferentes superposiciones lineales del K ⁰y K ⁰. Dicha superposición es una mezcla de K_L yK_S ; laK_S se regenera haciendo pasar un haz de kaones neutros a través de la materia. ^{[ 17 ]} La regeneración fue observada porOreste Piccioniy sus colaboradores enel Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. ^{[ 18 ]} Poco después, Robert Adair y sus colaboradores informaron sobre un excesode K_{La regeneración S} , abriendo así un nuevo capítulo en esta historia.

• 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 de CP
• oscilación de neutrinos
• oscilación de partículas neutras

• Amsler, C.; Doser, M.; Antonelli, M.; Asner, D.; Babu, K.; Baer, ​​H.; et  al. ( Particle Data Group ) (2008). "Revisión de física de partículas" (PDF) . Physics Letters B . 667 (1): 1– 1340. Bibcode : 2008PhLB..667....1A . doi : 10.1016/j.physletb.2008.07.018 . hdl : 1854/LU-685594 . S2CID 227119789 . Archivado del original (PDF) el 07-09-2020 . Recuperado el 13-12-2019 . 
• Eidelman, S.; Hayes, KG; Olive, KA; Aguilar-Benitez, M.; Amsler, C.; Asner, D.; et  al. ( Particle Data Group ) (2004). "Revisión de la física de partículas". Physics Letters B . 592 (1): 1. arXiv : astro-ph/0406663 . Bibcode : 2004PhLB..592....1P . doi : 10.1016/j.physletb.2004.06.001 .
• El modelo de quarks , de JJJ Kokkedee
• Sozzi, MS (2008). Simetrías discretas y violación de CP . Oxford University Press . ISBN 978-0-19-929666-8.
• Bigi, II; Sanda, AI (2000). Violación de CP . Cambridge University Press . ISBN 0-521-44349-0.
• Griffiths, DJ (1987). Introducción a las partículas elementales . John Wiley & Sons . ISBN 0-471-60386-4.

• El mesón K neutro – Las Lecciones de Física de Feynman
• Medios relacionados con Kaon en Wikimedia Commons