Материал: Добрецов Сборник лабораторных работ по ядерной физике Ч.3 2013

модействиям с нуклонами. Физической причиной различимости K0

и K~ 0 можно считать тот факт, что они имеют разные знаки квантового числа странности, которое сохраняется в сильных взаимодействиях.

Схема Гелл-Манна – Нишиджимы объясняла особенности реакций рождения и взаимодействия каонов, но противоречила двум экспериментальным фактам.

Во-первых, в эксперименте наблюдались распады лишь одной нейтральной частицы, имеющей массу 500 МэB и время жизни

1 10–10 с (так называемый Θ0-мезон, распадающийся по схеме

Θ0 → π+ + π–).

Во-вторых, в процессе изучения большого числа случаев парного рождения Λ-гиперонов с нейтральными каонами, т.е. реакции

π– + p → Λ + K0,

было обнаружено, что распад K0 наблюдается только в ~ 50 % случаев. Дело обстояло так, как если бы образующиеся K0-частицы в половине случаев распадались быстро (и тогда их распад виден), а в половине случаев – медленно, тогда точка их распада оказывалась за пределами области наблюдения. Получилось так, что для объяснения этого факта K0-мезону надо было приписать два периода полураспада.

частиц. Они предположили, что должны существовать два ней-

Конечно, всего имеется два нейтральных мезона, а не четыре. Просто для состояний, описывающих нейтральные каоны, используются два представления. Когда речь идет о сильных взаимодействиях (рождение, рассеяние, поглощение), следует описывать процессы в

терминах K0 и K~ 0 , которые имеют определенные значения сохраняющейся в сильных взаимодействиях странности. Однако когда

45

речь идет о процессах распада, в которых странность не сохраняется, следует описывать процессы в терминах K10 и K20 , которые,

как нетрудно получить из уравнений (17.1), имеют определённые значения комбинированной чётности (СР-четности), то есть

символом С обозначена операция зарядового сопряжения, а символом Р – операция пространственной инверсии.

Если рассматривать простейшие типы распадов, то, исходя из закона сохранения комбинированной четности, можно показать, что схемы распада нейтральных каонов будут следующими:

K10 → 2π имеет большое энерговыделение и, следовательно, малое время жизни;

K20 →3π имеет меньшее энерговыделение и, следовательно,

большeе время жизни.

Таким образом, Гелл-Манн и Пайс пришли к заключению, что распад K0 → 2π следует отождествлять с распадом K10 → 2π- мезона и должно существовать ещё одно новое долгоживущее состояние K20 со временем жизни τ 10–7 с. В 1956 г. K20 -мезон был найден в экспериментах на ускорителе в Брукхейвене.

Ещё до того как вывод о существовании K20 -мезона был подтверждён экспериментально, Пайс и Пиччиони, основываясь на различном характере взаимодействия K0- и K~ 0 -мезонов с веществом и на ожидаемой малой разности масс K10 - и K20 -мезонов, предсказали ряд таких своеобразных явлений, как регенерация

0 ↔ ~0

каонов, т.е. переходы K K , и осцилляция странности. Вскоре

46

регенерация короткоживущих K10 -мезонов в пучке долгоживущих

K20 -мезонов и осцилляции странности были экспериментально об-

наружены. Измерение периода осцилляций позволило получить значение разности масс долгоживущего и короткоживущего нейтральных каонов [7]:

| m| = (3,51±0,02) 10–6 эВ.

Теоретическое предсказание и экспериментальное подтверждение своеобразных процессов рождения, распада, захвата и регенерации нейтральных каонов являются одним из самых замечательных успехов квантовой механики и физики элементарных частиц.

Описание процессов распада каонов основано на фундаментальных положениях теории слабых и электромагнитных взаимодействий. Поэтому исследования распадов каонов важны для всестороннего понимания таких проблем, как изотопические свойства слабого взаимодействия, проблема симметрии в микромире, проблема нейтральных токов и др. Так, например, исследование распада заряженных каонов привели Ли и Янга к фундаментальному выводу о том, что в этих распадах (и вообще в слабом взаимодействии) не сохраняется пространственная четность P. В 1957 г. соответствующими экспериментами эта гипотеза была подтверждена. Исследования распада нейтральных каонов привели к открытию несохранения СР-четности в этих распадах.

в 1964 г. наблюдались каналы распада, запрещенные законом сохранения СР-четности:

π+ + π−

K 0 →

2 π0 + π0.

47

Степень нарушения закона сохранения CP-четности невелика ( 2 10–3). Для объяснения нарушения СР-четности было сделано предположение, что долгоживущий нейтральный каон не является

чистым состоянием с СР = –1 (т.е. не чистый K20 -мезон), а имеет небольшую примесь состояния с СР = +1. Поэтому вместо состояний K10 и K20 ввели некоторые новые состояния, которые были обозначены символами K S0 (короткоживущий компонент) и K L0

(долгоживущий компонент); K S0 и K L0 уже не являются собствен-

ными состояниями оператора СР. Впоследствии нарушение СР- инвариантности было обнаружено также и в полулептонных распа-

дах K L0 -мезонов:

Несохранение СР-четности в этих распадах приводит к зарядовой асимметрии.

В данной лабораторной работе исследуются распады долгоживущего K0-мезона.

Работа проводится по снимкам, полученным с помощью 180-литровой ксеноновой камеры института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ).

Примеры изучаемых в данной работе случаев распада K L0 -мезонов показаны на рис. 17.1. Значения вероятностей исследуемых каналов распада приведены в табл. 17.1 [8].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

В эксперименте использовалась 180-литровая ксеноновая пузырьковая камера. Снимки с пузырьковых камер исключительно наглядны и информативны для исследования взаимодействия и распада странных частиц. Очевидно, что для изучения радиационных распадов частиц (т.е. распадов, вторичными продуктами которых являются γ-кванты) необходимо наполнение камеры жидкостью с высокой вероятностью регистрации γ-квантов, т.е. с большой плотностью и малой радиационной длиной x0. Одним из таких детекторов является ксеноновая пузырьковая камера (x0 = 3,7 см).

Для характеристики способности детекторов к регистрации радиационных процессов используется эффективность регистрации γ-квантов η, которая численно равна доле первоначального числа γ-квантов, зарегистрированных в данных условиях. Величину η можно найти, определив долю γ-квантов, выбывшую из пучка при прохождении слоя вещества толщиной δ:

η =1− exp − 97xδ0 .

Здесь x0 – радиационная длина, выраженная в тех же единицах, что и δ. Эффективность регистрации одиночных γ-квантов в 180-литровой ксеноновой пузырьковой камере размерами 103×43× ×40 см, x0 = 3,7 см, усредненная по объему, составляет 0,95.

Для исследования K L0 -распадов внутрь камеры была введена дю-

ралюминиевая трубка, проходящая через весь объём камеры вдоль её большой оси. Во время экспозиции камеры воздух из трубки откачивался и сквозь трубку пропускался пучок нейтральных частиц,

рождённых на внутренней мишени ускорителя, K L0 -мезоны явля-

внутри вакуумной трубки в пределах рабочего объема камеры. Камера регистрировала вторичные продукты, возникающие при распа-

де. Один распад K L0 -мезона в пределах рабочего объёма камеры на-

блюдался приблизительно на 3 – 4 цикла ускорителя и, следовательно, 3 – 4 цикла расширения пузырьковой камеры. Фон от взаимодействий других нейтральных частиц (n, γ) был пренебрежимо мал.

49