Р а б о т а 15 определение масс и времени жизни k-мезонов и -гиперона
Цель
– изучение
схем распада, измерение масс
K+-,
K0-
и -частиц
и оценка времени жизни
-мезонов
и -гиперонов.
ВВЕДЕНИЕ
В основе классификации элементарных частиц лежат свойства фундаментальных взаимодействий. Характерной особенностью элементарных частиц является их взаимопревращаемость, рождение и распад [3]. Если при рождении или распаде выполняются законы сохранения, соответствующие сильному взаимодействию, то процесс происходит быстро, за ядерное время (10–2210–23 c). Если законы сохранения не разрешают сильный или электромагнитный процесс, разрешают лишь слабый процесс, то он проходит медленно, за время, характерное для слабого взаимодействия (большее, чем 10–10 с).
Гипероны
(,
+,
–,
0,
–,
0,
–)
и К-мезоны
(К+,
К–,
K0,
)
относятся к адронам, составляют большую
группу элементарных частиц и называются
странными. Процессы образования,
поглощения, рассеяния гиперонов иК-мезонов
идут с сечениями, характерными для
ядерно-активных частиц (адронов). Сечение
рождения странных частиц в (N)-
и (NN)-взаимодействиях,
например, составляет величину порядка
одного миллибарна.
Однако
распады странных частиц на адроны
p + –,
K+ + + –
и т.д.) происходят за время 10–810–10
с, что значительно больше ядерного
времени (10–2210–23
с). Характерной особенностью их рождения
в пион-нуклонных и нуклон-нуклонных
взаимодействиях является совместное
образование, по крайней мере, двух
странных частиц. При этом возможны лишь
определенные сочетания.
Так, -
и -гипероны
образуются в паре с К+-
и К0-мезонами
и не образуются с К–-
и
-мезонами.
Ассоциативное рождение частиц обычно
связано с законом сохранения. Так,
рождение антинуклона при столкновении
двух протонов обязательно сопровождается
образованием еще одного нуклона. Это
объясняется законом сохранения барионного
зарядаВ,
который выполняется при любых
взаимодействиях. Барионный заряд В = +1
для нуклонов и гиперонов, В = –1
для антинуклонов и антигиперонов, В = 0
для остальных частиц. Как ассоциативное
рождение, так и большое время жизни
гиперонов и К-мезонов
оказалось возможным объяснить, введя
квантовое число S
(«странность»). Значение странности S
можно определить из соотношения
Гелл-Манна – Нишиджимы:
Q = TZ + (B + S)/2,
где Q – электрический заряд частицы в единицах заряда электрона, TZ – проекция изотопического спина.
Элементарные частицы группируются по изотопическим мультиплетам. Частицы, входящие в мультиплет, имеют близкие массы. Каждый мультиплет характеризуется изотопическим спином Т и содержит 2Т + 1 частиц, различающихся значением проекции изотопического спина TZ. Частицы, принадлежащие одному мультиплету, одинаково ведут себя в ядерных взаимодействиях, при этом выполняется закон сохранения изотопического спина.
Частицы каждого изотопического мультиплета имеют одинаковую странность (табл. 15.1), частицы и античастицы имеют противоположную по знаку странность.
Таблица 15.1
|
Частица |
T |
TZ |
S |
|
K+, K0 |
1/2 |
+1/2, –1/2 |
+1 |
|
K–, |
1/2 |
–1/2, +1/2 |
–1 |
|
|
0 |
0 |
–1 |
|
+, –, 0 |
1 |
+1, 0, –1 |
–1 |
|
0, – |
1/2 |
1/2, –1/2 |
–2 |
|
– |
0 |
0 |
–3 |
Квантовое число S является скалярной аддитивной величиной. В процессах, обусловленных сильными взаимодействиями, странность изолированной системы сохраняется, т.е. S = 0. Из этого следует:
странная частица не может быстро распадаться на обычные частицы (нуклоны и -мезоны);
при взаимодействии обычных частиц не может происходить быстрое образование одной странной частицы.
Странность сохраняется и в электромагнитных взаимодействиях. Поэтому, например, не происходят распады типа + p + .
Распады
странных частиц происходят с нарушением
закона сохранения странности и относятся
к слабым взаимодействиям (за исключением
электромагнитного распада 0 ).
При этом степень
нарушения закона сохранения странности
ограничена: странность не может измениться
больше, чем на единицу.
Поэтому не происходит, например, распад
– n
+ –.
К-мезоны
со странностью +1 и –1 неодинаково ведут
себя при взаимодействии с веществом:
при низких энергиях K+-
и K0-мезоны
могут только рассеиваться и перезаряжаться,
К‑-
и
-мезоны
образуют гипероны в реакциях типаK–
+ p
+ 0.
В
свойствах нейтральных К-мезонов
наблюдается своеобразная двойственность.
В процессах рождения и взаимодействия
они ведут себя как К0-
и
-мезоны,
которые имеют странность +1 и –1. В
процессах распада наблюдаются
(short
– короткоживущий) и
(long
– долгоживущий) частицы, которые являются
«смесью»
-
и
-состояний
и различаются временами жизни, схемами
распада (подробнее см. работу 17):
В данной работе изучаются распады по следующим схемам:
1) K+ + + + + – (+-распад);
2)
+
+ –
(0-распад);
3) p + –.
Распад
медленного К+-мезона
на три заряженных пиона по схеме 1) можно
наблюдать в пузырьковой камере, так как
энерговыделение в этом распаде невелико
(75 МэВ) и пробеги пионов могут укладываться
в пределах камеры. Распады частиц по
схемам 2) и 3) также легко наблюдаемы, так
как время жизни
-мезонов
и-гиперонов
порядка 10–10
с и длина пролета от места рождения до
места распада нейтральной частицы
составляет несколько сантиметров для
энергий порядка 1 ГэВ.
В табл. 15.2 даны основные характеристики всех частиц, участвующих в этих распадах [8].
Таблица 15.2
|
Частица (античастица) |
Масса, МэВ |
Время жизни, с |
Спин |
Странность |
|
+– |
139,57018±0,00035 |
(2,6033±0,0005) 10–8 |
0 |
0 |
|
K+(K–) |
493,677±0,016 |
(1,2384±0,0024)10–8 |
0 |
±1 |
|
K0( |
497,67±0,03 |
|
0 |
±1 |
|
|
938,27200±0,00004 |
|
1/2 |
0 |
|
|
1115,683±0,006 |
(2,63±0,02) 10–10 |
1/2 |
±1 |
)
(0,893±0,001) 10–10,
(5,17±0,04) 10–8
В
настоящей работе предлагается определить
массы К+-,
К0-
и -частиц
по продуктам распада и оценить время
жизни
-мезонов
и-гиперонов.