K介子

佇粒子物理學當中，K 介子（Kaon，標記做講 K )）是帶有奇異數這一量子數的四種介子的任一種。咧夸克模型中有含一个奇夸克（抑是其反克夸），佮一个上或者是夸克的反夸克（抑是夸克）。

自從𪜶佇一九四七年予人發現了後，K 紹介子做基礎交互作用的性質提供了大量的資料。佇咧建立粒仔物理學標準模型基礎的過程內底，𪜶有著就是袂使欠的角色，比如講強子的夸克模型佮夸克混合的理論（後者佇二空空八年被諾貝爾物理學獎肯定）。佇咧人類對基礎守恆定律的了解，K 介子嘛有著傑出的貢獻：CP 破壞（一種造成逐家所見的宇宙物質－反物質失衡的現象）的發現佇一九八空年被諾貝爾物理學獎肯定，這種現象就是佇咧 K 介子系統予人發現的就好。

基本特性

四種 K 介子分別為：

一 . 紮負電的 K− （含有一个奇夸克和一个反上夸克），質量是四百九十三抹六六七 ± 空九二一三 MeV，平均壽命為 ( 一孵二三八四 ± 空九空空二四 ) × 十 − 八 s。二 . 其反粒子，共正電 K + （含有一个上夸克和一个反奇夸克）的質量佮壽命著愛等仝款 K− （因為 CPT 對稱的關係）。兩者質量差做零交零三二 ± 空九空九空 MeV，佮零一致。壽命差是 ( 空七一一 ± 空九空九 ) × 十 − 八 s。三 . 中性（無帶電荷）的 K 零（含有一个下夸克和一个反奇夸克），其質量是四百九十七堵六四八 ± 空九空二二 MeV。其均方電荷半徑為 − 空九空七六 ± 空九九空一 fm 二。四 . K 零的反粒仔做 K 零（含有一个奇夸克和一个反下花克），兩項質量一致。

對夸克模型分配可輕易看出，K 介子組成兩組仝位旋雙重態；也就是講𪜶屬於 SU ( 二 ) 基礎表示的二。奇異數為 + 一的一組包括 K + 佮 K 零。啊若𪜶的反粒子組成另外一組雙重態（奇異數為-一）。

[a]^強本徵態。無確定的壽命。 [b]^弱本徵態。構成內無細的 ε 的 CP 破壞項。 [c]^ K 零 L 佮 K 零 S 的質量表頂懸佮 K 無異。毋過，已知 K 零 L 佮 K 零 S 的質量有異，差異的大細尺度為三允五 × 十 − 十二 MeV / _ c _ 二。 [d]^因為中性粒仔透濫的關係，所以乎 K 零 L 佮 K 零 S 嘛毋是奇巧的本徵態。

衰變

中性 K 介子

就算講 K 零及其反粒子 K 零經由強交互作用產生，但是𪜶經過弱交互作用衰變。所以，佇咧誕生了後𪜶較適合予人看做是兩个有相當無仝壽命的弱本徵態：

一 . 長命的 K 介子予人號做是 K L（K-long，長命 K），主要衰變做三个 π 介子，其平均壽命為五孵一八 × 十 − 八 s。二 . 短命的 K 介子予人號做是 K S（K-short，短命 K），主要衰變做兩个 π 介子，其平均壽命是八堵九五八 × 十 − 十一 s。

（見下文的中性 K 介子透濫）

雖然其他的中性味的介子嘛有近似的混合情形，但是干焦 K 介子的兩種弱本徵態予人看做是兩種粒子，因為𪜶兩个的壽命差實在真大。

一九六四年一實驗發現長命 K 足少會衰變兩个 π 介子，這個就是發現 CP 破壞的關鍵之一（見下文）。

紮電荷 K 介子

K + 的主要衰變模式為著：

奇異數

> > 內量仔數「奇異數」的發現，標誌著粒子物理學上予人振奮的時代的開端，就算佇五十年後的今仔日看來，這个時代猶原無到終點…… 總的來講，實驗推動著整個發展，大發現的到往攏是出人意表，甚至違反著理論學者所想的預期。 >——《CP 破壞》，I ・ I ・比吉與三田一郎著，《 ISBN 空抹五百二十一孵四四千三百四十九鼻空》 > >

佇一九四七年，曼徹斯特大學 G ・ D ・羅徹斯特佮克里福德・查理斯・巴特勒發表了兩輻宇宙線引發反應的雲室相片，一輻看起來是一中性粒仔衰變做兩帶電荷的 π 介子，另外一輻看起來是一帶荷的粒仔衰變做一帶電荷的 π 介子佮一寡中性的物件。新粒子的質量估算相當的粗略，注意質子質量的一半。了後這種「V 粒子」的個案就慢慢仔衝出來矣。

加州理工學院取得上早的突破，𪜶為著得著閣較佳的宇宙線接收，毋過共雲室運上了威爾遴山。佇一九五空年，𪜶報告三十个紮電錢佮四个中性的 V 粒子。受這所啟發，以後幾年的誠濟觀測攏佇山頂進行，一九五三年進前，所用的詞如下：「 L 介子」講的是渺子抑是 π 介子。「K 介子」是講質量介乎 π 介子佮核子間的粒子；而且「超子」指的質量比核子大的粒子。

K 介子佮超子的衰變非常慢；一般大細尺度為十 − 十 s。毋過，佇咧 π 介子－質子反應所生產出的遮的粒仔的衰變是咧欲快了濟，時間大細尺度為十 − 二十三 s。這無協調的問題由亞伯拉罕・派斯所解決，伊設定一个新的量子數的叫奇巧數，佇強交互作用下守恆，但是佇咧弱交互相作用下無守恆。因為奇夸克和其反粒做伙的「相伴產生」，所以出現足大量的奇異粒子。奇異數真緊就予人指出講伊毋是一个乘法量子數，因為若是，奇巧數會允准一寡無去予當當時新的同步加速器所觀測著的反應；布魯克哈芬國家實驗室佇一九五三年，勞倫斯伯克利國家實驗室佇一九五五年被委託製作仝步加速器。

宇稱無守恆

紮電荷的奇介子有兩種衰變模式：

因為兩種落坐的終態有無仝款的宇稱，所以科學家認為這是兩種初態應該為無仝類的粒子，所以是兩種有分別的粒子。猶毋過，佇咧愈來愈準確的測量之下，攏無發現兩个中間的質量佮壽命有啥物差別，由此顯示𪜶是仝一種粒子。這个問題予人號做τ－Θ 問題。一直到發現弱交互作用的宇稱無守恆才被解決。因為介子通過弱交互作用衰變，宇稱並無需要守恆，所以這兩種衰變可能由仝一種粒仔引起，也就是這馬的 K + 。

中性介子振慨中的 CP 破壞

就算講宇稱無守恆，電荷－宇稱對稱在一開始是予人認為是守恆的。愛知影 CP 損蕩發現，著愛知影講 K 介子的混合；這个現象的發生並無需要 CP 破壞，但是就是佇這个背景下第一改測量著 CP 破壞。

中性 K 介子透濫

因為中性 K 介子帶有奇的異數，𪜶袂使去對𪜶的對方的反粒仔。所以一定有兩種無仝款的 K 介子，兩者奇異數的差做兩个單位。問題是按怎知影這兩種介子的存在。才答案用著一種現象叫中性粒子振蕩，佇這種現象中兩種介子會通過弱交互作用互相變換，過種中弱交互作用會致使𪜶衰變做 π 介子（見正圖）。

遮的振動上早由默里・蓋爾曼與亞伯拉罕・派斯共同研究。𪜶研究過倒反奇的數態佇咧 CP 無變化綴時間的演化。用矩陣的形式來寫法如下

: $ \ psi ( t )=U ( t ) \ psi ( 零 )={ \ rm { e } } ^ { iHt } { \ begin { pmatrix } a \ \ b \ end { pmatrix } } , \ qquad H={ \ begin { pmatrix } M & \ Delta \ \ \ Delta & M \ end { pmatrix } } $

其中 ψ 為系統的量子態，由兩个基態（佇時間 t=零時為 a 佮 b）的波輻共同決定。哈密頓矩陣對角線頂懸的元（_ M _）是守恆奇的異數強交互作用物理所引起的後果。兩个對角線元著愛相等，因為佇咧無弱交互作用的情況下，粒子佮其反粒子的質量閣有等。無佇咧對角線頂懸的元（Δ），負責混合相反的奇異粒子，𪜶是由弱交互作用所引起的；CP 對稱要求𪜶全部攏是實數。

矩陣 _ H _ 為實數的後果是，這兩種態的機率會永恆地來回振動。毋過，假使矩陣的任何部份為虛數，就親像 CP 嘿稱所禁止的按呢，遐爾仔規个組合的一部份綴時間會縮減。縮減的部份會當是一个分量 ( a ) 抑是另外一个 ( b )，抑是兩个人的混合。

透濫

共矩陣對角化了後會使本徵態。按呢會產生新的本徵向量，阮會當共伊叫做K 一，伊是兩相反奇的數態的總和，而且K 二是兩間的差。K 一佮K 二為CP的本徵態，兩个有顛倒反的本徵量；K 一的CP為 + 一，而且K 二著愛替-一。因為二 π 介子系統的CP嘛是啦 + 一，所以乎K 一會使按呢衰變。而且K 二著愛衰變三个 π 介子。因為K 二的質量干焦比三个 π 介子加起來較大淡薄仔，所以衰變過程非常的慢慢仔，大概比K 一衰變兩个 π 介子慢六百倍。這兩種無仝的衰變模式由利純・萊德曼及其同事佇一九五六年觀測著，並確立著中性 K 介子兩个弱本抹態（佇弱交互作用下，有特定衰變壽命的態度）的存在矣。

這兩个弱本徵態予人號做是 K L（長命 K）佮 K S（短命 K）。佇咧假定 CP 對稱的情形下， K S=K 一， K L=K 二。

振動

一初態為 K 零的粒子束，會咧傳播的時陣變成家己的反粒仔，反粒子閣會變轉來原來的粒仔，遮推捒按呢。這就是粒子振興。閣咧觀測弱交互作用衰變做輕子時，發現 K 零總是衰變做電子，顛倒反粒子 K 零是總是衰變做正電子。頭前文的分析講著純 K 零及反粒子 K 零的粒子源，佮電子佮正電子生產率的關係。分析這款半輕子衰變的時間演化，會當發現有振動現象，而且閣會當得著識 K S 佮 K L 間的質譜分裂。因為這是由弱交互作用引起的，質譜分裂非常的細，呼籲每一態質量的十 − 十五倍。

再生

一束中性 K 紹介佇飛行中衰變，因此短命的 K S 自按呢消失，賰一束純 K L。假使講這束粒仔去予人射入去物質內底，遐爾 K 零及其反粒子 K 零就會佮原子核有無仝的交互作用。 K 零佮核子產生準彈性散射，顛倒反粒子 K 零是有可能產生超子。因為兩个部份佮核子有無仝的交互作用，兩粒子間失去了原本的量子仝調。無偌久了後，羅伯特・艾德爾和同事咱報告 K S 的再生比預期濟，自按呢開始起歷史的新篇章。

CP 破壞

佇核實艾德爾的結果時陣，布魯克海文國家實驗室的詹姆斯・克羅寧佮瓦爾・菲奇於一九六四年發現 K L 衰變兩个 π 介子（CP=+ 一）。根據前文的解說，欲來述衰變成立，著愛設初態佮終態的CP價值無仝，因此𪜶隨提出 CP 破壞。其他的解說，譬如講非線性量子物理佮無予觀測著的新粒仔，佇無偌久了後就予人排除，賰的 CP 破壞就是唯一的可能性。克羅寧佮菲奇因這个發現而且一九八空年矣榮獲諾貝爾物理學獎。

事實上，就算講 K L 佮 K S 為弱本徵態（因為𪜶有隨人袂變的衰變平均壽命，煞來衰變就是由弱交互作用所引起的），但是𪜶並無啥會當CP本徵態。取代之的是，佇咧 ε 足細的狀況下（佇一个足重整化以內），

K

L=K 二+ εK 一

而且 K S 嘛是相近的情形。所以有當時仔 K L 衰變時CP=+ 一，啊若仝款 K S 會當有CP=影響一的衰變。這就是間接 CP 破壞，由 K 零及其反粒子混合所造成的 CP 破壞。同時有一種直接 CP 破壞，也就是咧衰變過程當中的 P 破壞。因為混合佮衰變攏是由著 W 玻色子的仝一種交互作用所造成，所以佇咧兩種 CP 破壞，嘛是因為按呢才會有 CKM 矩陣所預測的 CP 破壞。

另見

強子、介子、超子及味
奇夸克和夸克模型
宇稱、電荷共擔、時間反轉對稱、CPT 對稱及 CP 破壞
微中子振興

註解佮參考來源

註解

資料來源

參考文獻

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