K介子

Kaon
组成	; K+; : ; u; ; s; ; ; K0; : ; d; ; s; / ; s; ; d; ; ; K−; : ; s; ; u;
系	玻色子
基本相互作用	强相互作用
符号	; K+; , ; K0; , ; K−;
类型	3
质量	; K±; : 493.667±0.013 MeV/c2; ; K0; : 497.648±0.022 MeV/c2
电荷	; K±; : ±e; ; K0; : 0
自旋	0

在粒子物理学中，K介子（Kaon，标记为
K
^{[注 1]})）是带有奇异数这一量子数的四种介子的任一种。在夸克模型中含有一个s夸克（或其反夸克），及一个上或d夸克的反夸克（或其夸克）。

自从它们在1947年被发现之后，K介子为基础相互作用的性质提供了大量的资料。在建立粒子物理学标准模型基础的过程中，它们有着不可或缺的角色，例如强子的夸克模型及夸克混合的理论（后者于2008年被诺贝尔物理学奖肯定）。在人类对基础守恒定律的了解中，K介子也有着杰出的贡献：CP破坏（一种造成大家所见的宇宙物质－反物质失衡的现象）的发现在1980年被诺贝尔物理学奖肯定，这种现象就是在K介子系统被发现的。

基本特性

图为一K介子（
K+
）变成三个π介子（2
π+
， 1
π−
）的衰变，这过程涉及了弱与强相互作用。

弱相互作用：K介子内的s夸克（
s
）衰变成一反u夸克（
u
），并发射一
W+
玻色子；随后
W+
玻色子衰变成一反d夸克（
d
）及一u夸克（
u
）。

强相互作用：一u夸克（
u
）发射出一胶子（
g
），该胶子随后衰变成一d夸克（
d
）及一反d夸克（
d
）。

四种K介子分别为：

带负电的
K−
（含有一个s夸克及一个反u夸克），质量为6989790941659807829♠493.667±0.013 MeV，平均寿命为6992123840000000000♠(1.2384±0.0024)×10⁻⁸ s。
其反粒子，带正电的
K+
（含有一个u夸克及一个反s夸克）的质量及寿命必须等同于
K−
（由于CPT对称的关系）。两者质量差为6985512696475839999♠0.032±0.090 MeV，跟零一致。而寿命差则为6991110000000000000♠(0.11±0.09)×10⁻⁸ s。
中性（不带电荷）的
K0
（含有一个d夸克及一个反s夸克），其质量为6989797319924402576♠497.648±0.022 MeV。其均方电荷半径为3031240000000000000♠−0.076±0.01 fm²。
K0
的反粒子为
K0
（含有一个s夸克及一个反d夸克），两者质量一致。

从夸克模型分配可轻易看出，K介子组成两组同位旋双重态；也就是说它们属于SU(2)基础表示的2。奇异数为+1的一组包括
K+
及
K0
。而它们的反粒子组成另一组双重态（奇异数为-1）。

K介子特性
粒子名称	粒子符号	反粒子符号	内含夸克	静止质量 (MeV/c²)	I	J^PC	S	平均寿命 (s)	一般衰变产物（>所有衰变的5%）
K介子^[1]	K+	K−	u s	7002493677000000000♠493.677±0.016	1⁄2	0⁻	1	6992123800000000000♠(1.2380±0.0021)×10⁻⁸	μ+ + ν μ or π+ + π0 π+ + π+ + π− or π0 + e+ + ν e
K介子^[2]	K0	K0	d s	7002497614000000000♠497.614±0.024	1⁄2	0⁻	1	^{^[a]}	^{^[a]}
短命K^[3]	K0 S	自身	$\mathrm {\tfrac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} \,$ ^{^[b]}	7002497614000000000♠497.614±0.024^{^[c]}	1⁄2	0⁻	^{^[d]}	6989895300000000000♠(8.953±0.005)×10⁻¹¹	π+ + π− or π0 + π0
长命K^[4]	K0 L	自身	$\mathrm {\tfrac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} \,$ ^{^[b]}	7002497614000000000♠497.614±0.024^{^[c]}	1⁄2	0⁻	^{^[d]}	6992511599999999999♠(5.116±0.020)×10⁻⁸	π± + e∓ + ν e or π± + μ∓ + ν μ or π0 + π0 + π0 or π+ + π0 + π−

^[a] ^ 强本征态。没有确切的寿命。
^[b] ^ 弱本征态。构成内没有小ε的CP破坏项。
^[c] ^
K0
L及
K0
S的质量于上表上与
K0
无异。然而，已知
K0
L及
K0
S的质量有异，差异的大小尺度为6988350000000000000♠3.5×10⁻¹² MeV/c²。^[4]
^[d] ^ 由于中性粒子混合的关系，所以
K0
L及
K0
S并非奇异数的本征态。

衰变

中性K介子

尽管
K0
及其反粒子
K0
经由强相互作用产生，但是它们经由弱相互作用衰变。因此，在诞生后它们较适合被视为两个有着相当不同寿命的弱本征态：

长命的K介子被称为
K
L（K-long，长命K），主要衰变成三个π介子，其平均寿命为6992518000000000000♠5.18×10⁻⁸ s。
短命的K介子被称为
K
S（K-short，短命K），主要衰变成两个π介子，其平均寿命为6989895800000000000♠8.958×10⁻¹¹ s。

（见下文的中性K介子混合）

虽然其他中性味的介子也有近似的混合情况，但是只有K介子的两种弱本征态被视为两种粒子，因为它们两者的寿命差异实在很大^[5]。

1964年一实验发现长命K很少会衰变成两个π介子，这正是发现CP破坏的关键之一（见下文）。

带电荷K介子

K+
的主要衰变模式为：

产物	模式	分支比
μ+ ν μ	轻子	7001634300000000000♠63.43±0.17%
π+ π0	重子	7001211300000000000♠21.13±0.14%
π+ π+ π−	重子	7000557599999999999♠5.576±0.031%
π+ π0 π0	重子	7000173000000000000♠1.73±0.04%
π0 e+ ν e	半轻子	7000487000000000000♠4.87±0.06%

奇异数

内量子数“奇异数”的发现，标志着粒子物理学最令人振奋的时代的开端，即使在五十年后的今天看来，这个时代仍没有到达终点……总的来说，实验推动着整个发展，而大发现的到来往往都是出人意表，甚至违反了理论学者所想的预期。
—— 《CP破坏》，I·I·比吉与三田一郎著，《ISBN 0-521-44349-0》

在1947年，曼彻斯特大学G·D·罗彻斯特（英语：George Rochester）和克里福德·查理斯·巴特勒（英语：Clifford Charles Butler）发表了两辐宇宙线引发反应的云室照片，一辐看起来是一中性粒子衰变成两个带电荷的π介子，另一辐看起来是一带荷的粒子衰变成一带电荷的π介子及一些中性的东西。新粒子的质量估算相当粗略，约为质子质量的一半。之后这种“V粒子”的个案就慢慢地涌现。

加州理工学院取得最早的突破，他们为了得到更佳的宇宙线接收，而把云室运上了威尔逊山。在1950年，他们报告了30个带电荷及4个中性的V粒子。受这个所启发，往后几年的很多观测都在山顶上进行，而1953年之前，所用的词汇如下：“L介子”指的是μ子或π介子。“K介子”指的是质量介乎π介子及核子间的粒子；而“超子”指的质量比核子大的粒子。

K介子与超子的衰变非常慢；一般大小尺度为6990100000000000000♠10⁻¹⁰ s。然而，在π介子－质子反应所生产出的这些粒子的衰变则要快得多，时间大小尺度为6977099999999999999♠10⁻²³ s。这个不协调问题由亚伯拉罕·派斯所解决，他设定了一个新的量子数的叫奇异数，在强相互作用下守恒，但在弱相互作用下则不守恒。由于s夸克及其反粒子一起的“相伴产生”，所以出现很大量的奇异粒子。奇异数很快就被指出它不是一个乘法量子数，因为如果是的话，奇异数会允许一些未被当时新的同步加速器所观测到的反应；布鲁克哈芬国家实验室在1953年，劳伦斯伯克利国家实验室在1955年被委托制作同步加速器。

宇称不守恒

带电荷的奇介子有两种衰变模式：

Θ+	→	π+ + π0
τ+	→	π+ + π+ + π−

由于两种衰变的终态具有不同的宇称，所以科学家们认为两种初态应该为不同种类的粒子，因此是两种有区别的粒子。但是，在愈来愈准确的测量下，都没有发现两者之间的质量与寿命有什么差别，由此显示它们是同一种粒子。这个问题被称为τ－Θ问题。直到发现弱相互作用的宇称不守恒才被解决。由于介子通过弱相互作用衰变，宇称并不需要守恒，因此两种衰变可能由同一种粒子引起，也就是现在的
K+
。

中性介子振荡中的CP破坏

尽管宇称不守恒，电荷－宇称对称在一开始时是被认为是守恒的。要明白CP破坏的发现，就必须明白中性K介子的混合；这个现象的发生并不需要CP破坏，但是就是在这个背景下第一次测量到CP破坏。

中性K介子混合

两种不同的中性K介子，有着不同的奇异数，但就可以通过弱相互作用来互相变换，这是因为弱相互作作用并不守恒奇异数。
K0
内的s夸克变成一d夸克，接着放射出两个相反电荷的W玻色子。
K0
内的反d夸克则通过吸收W玻色子而变成一s夸克。

由于中性K介子带有奇异数，它们不能互为对方的反粒子。所以一定有两种不同的K介子，两者奇异数的差为两个单位。问题是如何得知这两种介子的存在。而答案用到一种现象叫中性粒子振荡，在这种现象中两种介子会通过弱相互作用互相变换，过种中弱相互作用会导致它们衰变成π介子（见右图）。

这些振荡最早由默里·盖尔曼与亚伯拉罕·派斯共同研究。他们研究过相反奇异数态在CP不变下随时间的演化。用矩阵形式写法如下

\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}}

其中ψ为系统的量子态，由两个基态（在时间t=0时为a及b）的波辐共同决定。哈密顿矩阵对角线上的元（M）是守恒奇异数的强相互作用物理所引起的后果。两个对角线元必须相等，因为在没有弱相互作用的情况下，粒子与其反粒子的质量相等。不在对角线上的元（Δ），负责混合相反的奇异粒子，它们是由弱相互作用所引起的；CP对称要求它们全部都是实数。

矩阵H为实数的后果是，这两种态的概率会永恒地来回振荡。然而，假若矩阵的任何部分为虚数，就像CP对称所禁止的那样，那么整个组合的一部分会随时间而缩减。缩减的部分可以是一个分量(a)或另一个(b)，或是两者的混合。

混合

把矩阵对角化后可得本征态。这样会产生新的本征矢量，我们可以把它叫做K₁，它是两相反奇异数态的总和，而K₂则是两态间的差。K₁及K₂为CP的本征态，两者有着相反的本征量；K₁的CP为+1，而K₂则为-1。由于二π介子系统的CP也是+1，所以K₁可以这样衰变。而K₂则必须衰变成三个π介子。由于K₂的质量只比三个π介子加起来大一点点，所以衰变过程非常缓慢，大概比K₁衰变成两个π介子慢600倍。这两种不同的衰变模式由利昂·莱德曼及其同事于1956年观测到，并确立了中性K介子两个弱本徴态（在弱相互作用下，有着特定衰变寿命的态）的存在。

这两个弱本征态被称为
K
L（长命K）及
K
S（短命K）。在假定CP对称的情况下，
K
S=K¹，
K
L=K²。

振荡

一初态为
K0
的粒子束，会在传播时变成自己的反粒子，而反粒子又会变回原来的粒子，如此类推。这就是粒子振荡。在观测弱相互作用衰变成轻子时，发现
K0
总是衰变成电子，而反粒子
K0
则总是衰变成正电子。前文的分析提到纯
K0
及反粒子
K0
的粒子源，与电子与正电子生产率的关系。分析这种半轻子衰变的时间演化，可以发现有振荡现象，并且能够得悉
K
S及
K
L间的质谱分裂。由于这是由弱相互作用引起的，质谱分裂非常小，约为每一态质量的10⁻¹⁵倍。

再生

一束中性K介子在飞行中衰变，因此短命的
K
S就此消失，剩下一束纯
K
L。假设这束粒子被射进物质里，那么
K0
及其反粒子
K0
就会与原子核有着不同的相互作用。
K0
与核子产生准弹性散射，而反粒子
K0
则有可能产生超子。由于两个部分与核子有着不同的相互作用，两粒子间失去了原有的量子同调。不久之后，罗伯特·艾德尔与同事们报告
K
S的再生比预期多，就此开启了历史的新篇章。

CP破坏

在核实艾德尔的结果时，布鲁克海文国家实验室的詹姆斯·克罗宁与瓦尔·菲奇于1964年发现
K
L衰变成两个π介子（CP=+1）。根据前文的解释，要上述衰变成立，就必须假设初态及终态的CP值不一样，因此他们马上提出了CP破坏。其他解释，例如非线性量子物理及未被观测到的新粒子，在不久后就被排除，剩下的CP破坏就是唯一的可能性。克罗宁与菲奇因这个发现而于1980年了荣获诺贝尔物理学奖。

事实上，尽管
K
L及
K
S为弱本征态（因为它们有各自不变的衰变平均寿命，而衰变就是由弱相互作用所引起的），但是它们并不太是CP本征态。取而代之的是，在ε很小的情况下（在一个重整化以内），

K
L = K₂ + εK₁

而
K
S也是相近的情况。因此有些时候
K
L 衰变时CP=+1，而同样地
K
S 可以有CP=-1的衰变。这就是间接CP破坏，由
K0
及其反粒子混合所造成的CP破坏。同时有一种直接CP破坏，也就是在衰变过程当中的P破坏。因为混合与衰变都是由W玻色子的同一种相互作用所造成，所以存在两种CP破坏，也是因为这样才会有CKM矩阵所预测的CP破坏。

另见

注释及参考来源

注释

^ 带正电的K介子从前被分开叫做τ⁺及θ⁺，因为直至1960年代前K⁺一直被视为两种粒子。见上面的宇称不守恒

资料来源

^ C. Amsler et al. (2008): （[//web.archive.org/web/20170130221332/http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s010.pdf 页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆） Particle listings –
K±
] （页面存档备份，存于互联网档案馆）
^ C. Amsler et al. (2008): （[//web.archive.org/web/20170126034054/http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s011.pdf 页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆） Particle listings –
K0
] （页面存档备份，存于互联网档案馆）
^ C. Amsler et al. (2008): （[//web.archive.org/web/20170211045659/http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s012.pdf 页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆） Particle listings –
K0
S] （页面存档备份，存于互联网档案馆）
^ ^4.0 ^4.1 C. Amsler et al. (2008): （[//web.archive.org/web/20170130221336/http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s013.pdf 页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆） Particle listings –
K0
L] （页面存档备份，存于互联网档案馆）
^ J.W. Cronin. CP Symmetry Violation – The Search for its origin (PDF). Nobel Lecture. The Nobel Foundation. 1980 [2011-07-07]. （原始内容存档 (PDF)于2017-08-10）.

参考文献

C.Amsler; Doser, M; Antonelli, M; Asner, D; Babu, K; Baer, H; Band, H; Barnett, R; Bergren, E; et al. Review of Particle Physics. Physics Letters B (Particle Data Group). 2008, 667 (1): 1–1340. Bibcode:2008PhLB..667....1P. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018.
S. Eidelman; et al. Review of Particle Physics 2004 – Strange Mesons. Particle Data Group. 2004 [2011-07-07]. （原始内容存档于2021-05-08）.

S. Eidelman et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics. Physics Letters B. 2004, 592 (1): 1. Bibcode:2004PhLB..592....1P. arXiv:astro-ph/0406663 

. doi:10.1016/j.physletb.2004.06.001.

The quark model, by J.J.J. Kokkedee
M.S. Sozzi. Discrete symmetries and CP violation. Oxford University Press. 2008. ISBN 978-0-19-929666-8.
I.I. Bigi, A.I. Sanda. CP violation. Cambridge University Press. 2000. ISBN 0-521-44349-0.
D.J. Griffiths. Introduction to Elementary Particle. John Wiley & Sons. 1987. ISBN 0-471-60386-4.

[1] 带正电的K介子从前被分开叫做τ⁺及θ⁺，因为直至1960年代前K⁺一直被视为两种粒子。见上面的宇称不守恒

[PDGKaon-2] C. Amsler et al. (2008): （[//web.archive.org/web/20170130221332/http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s010.pdf 页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆） Particle listings –
K±
] （页面存档备份，存于互联网档案馆）

[PDGKaon0-3] C. Amsler et al. (2008): （[//web.archive.org/web/20170126034054/http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s011.pdf 页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆） Particle listings –
K0
] （页面存档备份，存于互联网档案馆）

[PDGK-short-4] C. Amsler et al. (2008): （[//web.archive.org/web/20170211045659/http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s012.pdf 页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆） Particle listings –
K0
S] （页面存档备份，存于互联网档案馆）

[PDGK-long-5] 4.0 ^4.1 C. Amsler et al. (2008): （[//web.archive.org/web/20170130221336/http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s013.pdf 页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆）（页面存档备份，存于互联网档案馆） Particle listings –
K0
L] （页面存档备份，存于互联网档案馆）

[Cronin-6] J.W. Cronin. CP Symmetry Violation – The Search for its origin (PDF). Nobel Lecture. The Nobel Foundation. 1980 [2011-07-07]. （原始内容存档 (PDF)于2017-08-10）.

[注 1]

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]