K +
Klassifikation
Boson Hadron Meson
Eigenschaften [1]
elektrische Ladung	+1  e
Ruheenergie	493,677(16)  MeV
Ladungsradius	0,560(31)  fm
Spin Paritat	0 ?
Isospin	½   ( I z = +½)
Strangeness	+1
mittlere Lebensdauer	1,2380(20) · 10 ?8   s
Wechselwirkungen	stark schwach elektromagnetisch Gravitation
Valenzquarks	u s

K 0
Klassifikation
Boson Hadron Meson
Eigenschaften [1]
elektrische Ladung	neutral
Ruheenergie	497,611(13)  MeV
quadratischer Ladungsradius	?0,077(10)  fm 2
Spin Paritat	0 ?
Isospin	½   ( I z = ?½)
Strangeness	+1
mittlere Lebensdauer	5,116(21) · 10 ?8 s (K L ) 8,954(4) · 10 ?11 s (K S )
Valenzquarks	d s

Die vier Arten von Kaonen oder K-Mesonen sind Hadronen aus der Gruppe der Mesonen .

Jedes Kaon enthalt ein leichtes u - oder d-Quark und ein mittelschweres Strange-Anti-Quark ${\displaystyle {\bar {s}}}$ oder aber jeweils die entsprechenden Antiteilchen . Das Strange-Quark (bzw. das Strange-Antiquark) macht die Kaonen zu den leichtesten Mesonen mit Strangeness (dt.: Seltsamkeit ). Nach dieser Eigenschaft lassen sich die Kaonen in zwei Isospin - Dubletts organisieren:

	K-Anti-Mesonen		K-Mesonen
	${\displaystyle K^{-}\!\,}$	${\displaystyle {\bar {K^{0}}}}$	${\displaystyle K^{0}\!\,}$	${\displaystyle K^{+}\!\,}$
Isospin ${\displaystyle I_{z}}$	-½	+½	-½	+½
Quark- Zusammensetzung	${\displaystyle {\bar {u}}}$	${\displaystyle {\bar {d}}}$	${\displaystyle d\!\,}$	${\displaystyle u\!\,}$
	${\displaystyle s\!\,}$	${\displaystyle s\!\,}$	${\displaystyle {\bar {s}}}$	${\displaystyle {\bar {s}}}$
Strangeness ${\displaystyle S}$	?1		+1

Wie alle Mesonen haben Kaonen ganzzahligen Spin und sind somit Bosonen . Sie unterliegen der starken Wechselwirkung und gehoren damit zu den Hadronen .

Eigenschaften [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Die Kaonen haben eine Masse von rund 493,7 MeV/c² (K ⁺ , K ^? ) bzw. 497,6 MeV/c² (K ⁰ , K ⁰ ). Sie zerfallen nur uber die schwache Wechselwirkung und sind daher vergleichsweise langlebig.

Die Lebensdauer des geladenen Kaons betragt 1 . 24 e ^{- 8} s . Die haufigsten Zerfallsmodi des K ^? sind

${\displaystyle K^{-}\rightarrow \mu ^{-}+{\overline {\nu }}_{\mu }\qquad }$ (63,6 %)  und

${\displaystyle K^{-}\rightarrow \pi ^{-}+\pi ^{0}\qquad }$ (20,1 %).

Fur K ⁰ und K ⁰ ist die Lebensdauer nicht definiert; ihre quantenmechanischen Mischungen (siehe unten) haben Lebensdauern von 5,1 · 10 ^?8 s (K _L ) und 9,0 · 10 ^?11 s (K _S ). Dabei zerfallt das K _S hauptsachlich in zwei Pionen:

${\displaystyle K_{S}^{0}\rightarrow \pi ^{+}+\pi ^{-}\qquad }$ (69,2 %),

${\displaystyle K_{S}^{0}\rightarrow \pi ^{0}+\pi ^{0}\qquad \,}$ (30,7 %),

wahrend beim K _L semileptonische Zerfalle dominieren:

${\displaystyle K_{L}^{0}\rightarrow \pi ^{\mp }+\mathrm {e} ^{\pm }+\nu _{\mathrm {e} }\qquad }$ (40,6 %),

${\displaystyle K_{L}^{0}\rightarrow \pi ^{\mp }+\mu ^{\pm }+\nu _{\mu }\qquad }$ (27,0 %),

${\displaystyle K_{L}^{0}\rightarrow \pi ^{0}+\pi ^{0}+\pi ^{0}\qquad \,}$ (19,5 %).

${\displaystyle K_{L}^{0}\rightarrow \pi ^{-}+\pi ^{+}+\pi ^{0}\qquad }$ (12,5 %).

Die CPT-Invarianz impliziert, dass die Teilchen-Antiteilchenpaare K ⁺ ↔ K ^? und K ⁰ ↔ K ⁰ jeweils identische Massen und Lebensdauern haben. Prazisionsmessungen dieser Großen haben dies bestatigt.

Entdeckung [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Die Kaonen wurden 1947 von George Rochester und Clifford Charles Butler in der Hohenstrahlung entdeckt. Erklart wurde ihr Auftreten mit der Reaktion π ⁺ + n → K ⁺ + Λ. Ursprunglich bekamen sie den Namen seltsame Teilchen (engl. strange particles ), weil ihre Lebensdauer deutlich langer war als die der anderen damals bekannten instabilen Teilchen. Um dies zu beschreiben, wurde die Quantenzahl ?Strangeness“ eingefuhrt. Diese wird zwar von der starken Wechselwirkung , die fur die Produktion der Kaonen verantwortlich ist, erhalten , aber von der schwachen Wechselwirkung , uber die sie zerfallen , verletzt.

Heute wird die relativ lange Lebensdauer der Kaonen mit dem Strange-Quark (kurz s-Quark) erklart. Strange-Quarks entstehen uber die starke Wechselwirkung paarweise mit Strange-Antiquarks, aus denen sich dann beispielsweise zwei Kaonen oder ? wie im Entdeckungsprozess ? ein Kaon und ein Baryon mit Strangeness bilden.

Da die Kaonen nach der Produktion in verschiedene Richtungen fliegen, konnen sich die beiden Strange-Quarks nicht im Umkehrprozess wieder annihilieren . Der Zerfall findet durch die Umwandlung des Strange-Quarks in das leichtere Up-Quark statt. Diese Umwandlung kann nur uber die schwache Wechselwirkung erfolgen, was die auffallig lange Lebensdauer der Kaonen erklart.

Das τ-θ-Ratsel und die Paritatsverletzung [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Anfang der 1950er Jahre waren zwei verschiedene positiv geladene Mesonen mit Strangeness bekannt, die nach ihren Zerfallsprodukten unterschieden wurden:

${\displaystyle \tau ^{+}\rightarrow \pi ^{+}+\pi ^{+}+\pi ^{-}}$

${\displaystyle \theta ^{+}\rightarrow \pi ^{+}+\pi ^{0}}$

Die Endzustande dieser Reaktionen haben verschiedene Paritat , was nach damaliger Vorstellung auch fur die Ausgangszustande τ und θ gelten sollte. Prazisionsmessungen von Masse und Lebensdauer zeigten jedoch keinerlei Unterschied zwischen τ und θ. Als dann 1956 die Paritatsverletzung der schwachen Wechselwirkung entdeckt wurde, war klar, das es dasselbe Teilchen war, das daraufhin K ⁺ genannt wurde. Der Zerfall erhalt also nicht die Paritat des Ausgangsteilchens.

CP-Erhaltung [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Mischung der neutralen Kaonen [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Das Kaon erlangte besondere Bedeutung im Zusammenhang mit der CP-Symmetrie . Zwar ist die P-Symmetrie maximal verletzt, aber die kombinierte Symmetrie aus Paritat P und Ladungskonjugation C bei allen Reaktionen in guter Naherung erhalten.

In Bezug auf starke (und elektromagnetische) Wechselwirkung alleine waren K ⁰ und K ⁰ auch die physikalischen Kaonzustande (exakter: die experimentell beobachtbaren Massen eigenzustande ). Da es aber durch die schwache Wechselwirkung eine Kopplung zwischen diesen beiden Zustanden gibt, sind die physikalischen Kaonzustande Mischungen , die sich unter der Annahme von CP-Symmetrie wie folgt ergeben:

Es gilt:

${\displaystyle CP|K^{0}\rangle =-|{\bar {K}}^{0}\rangle }$

${\displaystyle CP|{\bar {K}}^{0}\rangle =-|K^{0}\rangle }$

Daraus ergeben sich die CP-Eigenzustande

${\displaystyle |K_{1}^{0}\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}(|K^{0}\rangle -|{\bar {K}}^{0}\rangle )}$

mit ${\displaystyle CP|K_{1}^{0}\rangle =+|K_{1}^{0}\rangle }$

und

${\displaystyle |K_{2}^{0}\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}(|K^{0}\rangle +|{\bar {K}}^{0}\rangle )}$

mit ${\displaystyle CP|K_{2}^{0}\rangle =-|K_{2}^{0}\rangle .}$

Unter der Annahme von CP-Symmetrie konnen diese Zustande nur CP-erhaltend zerfallen, woraus sich zwei verschiedene Zerfallskanale mit sehr unterschiedlichen Phasenraumen und dementsprechend sehr unterschiedlichen Lebensdauern ergeben:

${\displaystyle K_{1}^{0}\rightarrow 2\pi }$ (schnell, da großer Phasenraum)

${\displaystyle K_{2}^{0}\rightarrow 3\pi }$ (langsam, da kleiner Phasenraum).

Tatsachlich hat man zwei Arten neutraler Kaonen gefunden, die sich stark in ihrer Lebensdauer unterscheiden. Diese wurden als K ⁰ _S ( short-lived , mittlere Lebensdauer ( 9 . 0 e ^{- 11} s )) und K ⁰ _L ( long-lived , mittlere Lebensdauer ( 5 . 1 e ^{- 8} s )) bezeichnet. Die mittlere Lebensdauer der langlebigen Variante ist also um einen Faktor von ungefahr 600 großer als die der kurzlebigen. Die beiden Kaonen unterscheiden sich geringfugig in der Masse: das K ⁰ _L ist um 3 . 48 e ^{- 12} MeV/c ² schwerer.

Aufgrund der angenommenen CP-Symmetrie lag es nahe, das beobachtete K ⁰ _S mit K ⁰ ₁ und das beobachtete K ⁰ _L mit K ⁰ ₂ zu identifizieren; demgemaß wurde das K ⁰ _L stets in drei und nie in zwei Pionen zerfallen.

CP-Verletzung [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

James Cronin und Val Fitch fanden jedoch 1964 heraus, dass das K ⁰ _L mit einer kleinen Wahrscheinlichkeit (etwa 10 ^?3 ) auch in zwei Pionen zerfallt. Daraus ergibt sich, dass die physikalischen Zustande keine reinen CP-Eigenzustande sind, sondern jeweils zu einem kleinen Anteil ${\displaystyle \epsilon }$ auch den anderen CP-Eigenzustand enthalten:

${\displaystyle |K_{S}^{0}\rangle ={\frac {1}{\sqrt {1+|\epsilon |^{2}}}}(|K_{1}^{0}\rangle +\epsilon |K_{2}^{0}\rangle )}$

${\displaystyle |K_{L}^{0}\rangle ={\frac {1}{\sqrt {1+|\epsilon |^{2}}}}(\epsilon |K_{1}^{0}\rangle +|K_{2}^{0}\rangle ).}$

Dieses Phanomen ist in Experimenten sehr genau uberpruft worden und wird als CP-Verletzung durch Mischung bezeichnet, weil sie durch eine Mischung der CP-Eigenzustande zum physikalischen Zustand gekennzeichnet ist. Da auf diese CP-Verletzung nur indirekt durch Beobachtung des Zerfalls ruckgeschlossen werden kann, ist sie in der Fachliteratur sehr verbreitet auch als indirekte CP-Verletzung bekannt. Cronin und Fitch erhielten fur ihre Entdeckung 1980 den Nobelpreis fur Physik .

Zusatzlich gibt es auch noch eine direkte CP-Verletzung , also eine Verletzung direkt im beobachteten Zerfall selbst. Diese ist nochmals um einen Faktor von etwa 1000 kleiner als die indirekte CP-Verletzung und wurde daher auch erst drei Jahrzehnte spater am CERN experimentell bestatigt: 1988 durch die NA31-Kollaboration (Sprecher Heinrich Wahl ) und dann genauer in den 1990er Jahren im Folgeexperiment NA48 .

Bemerkenswert bleibt, dass die CP-Verletzung (direkt wie indirekt) nur in geringem Maße auftritt, im Gegensatz zur maximalen Paritatsverletzung der schwachen Wechselwirkung. Der Grund hierfur ist weiterhin unbekannt.

Literatur [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

• Donald Perkins : Hochenergiephysik . Oldenbourg 1991, ISBN 3-486-24347-0 .
• Bogdan Povh et al., Teilchen und Kerne . 6. Auflage. Springer, 2004, ISBN 3-540-21065-2 .
• Jonathan L. Rosner, Bruce D. Winstein: Kaon physics . Univ. of Chicago Press, Chicago 2001, ISBN 0-226-90228-5 .

Siehe auch [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

• Liste der Mesonen

Einzelnachweise [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

1. ↑ ^{a b} Die Angaben uber die Teilcheneigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, entnommen aus: P.A. Zyla et al. ( Particle Data Group ): 2020 Review of Particle Physics, Summary Tables ? Mesons. In: Prog. Theor. Exp. Phys. 2020, 083C01 (2020). Particle Data Group, abgerufen am 18. Juni 2021 (englisch).