كاون

في فيزياء الجسيمات ، الكاون ، ويُسمى أيضًا ميزون K ويُرمز له بـ ^{K ،} هو أيٌّ من مجموعة من أربعة ميزونات تتميز برقم كمي يُسمى الغرابة . في نموذج الكواركات، ^تُفهم هذه الميزونات على أنها حالات مُرتبطة لكوارك غريب (أو مضاد كوارك) ومضاد كوارك علوي أو سفلي (أو كوارك).

أثبتت الكاونات أنها مصدر غزير للمعلومات حول طبيعة التفاعلات الأساسية منذ اكتشافها على يد جورج روتشستر وكليفورد بتلر في قسم الفيزياء وعلم الفلك بجامعة مانشستر في الأشعة الكونية عام 1947. وكانت أساسية في إرساء أسس النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، مثل نموذج الكواركات للهادرونات ونظرية مزج الكواركات (التي نال صاحبها جائزة نوبل في الفيزياء عام 2008). ولعبت الكاونات دورًا بارزًا في فهم قوانين الحفظ الأساسية . فقد اكتُشف انتهاك تناظر التكافؤ والاقتران الشحني (CP) ، وهو شرط أساسي في أي نظرية لتفسير عدم تناظر المادة والمادة المضادة المرصود في الكون، في نظام الكاونات عام 1964 (وهو ما نال جائزة نوبل عام 1980). علاوة على ذلك، اكتُشف انتهاك تناظر التكافؤ والاقتران الشحني المباشر في اضمحلالات الكاونات في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين من خلال تجربة NA48 في سيرن وتجربة KTeV في فيرميلاب .

الكاونات الأربعة هي:

1. K ⁻جسيم مشحون بشحنة سالبة (يحتوي على كوارك غريب وكوارك مضاد علوي ) له كتلة493.677 ± 0.013  ميغا إلكترون فولت/ ثانية ^مربعة ومتوسط ​​العمر(1.2380 ± 0.0020) × 10 ⁻⁸  ثانية .
2. ك ⁺( الجسيم المضاد المذكور أعلاه) ذو الشحنة الموجبة (الذي يحتوي على كوارك علوي وكوارك مضاد غريب ) يجب (بحسب ثبات CPT ) أن تكون له كتلة وعمر مساوٍ لكتلة وعمر K ⁻تجريبياً، يكون فرق الكتلة هو0.032 ± 0.090 ميغا ^{إلكترون}  فولت/ ثانية ، وهو ما يتوافق مع الصفر؛ والفرق في أعمار الجسيمات هو(0.11 ± 0.09) × 10 ⁻⁸  ثانية ، وهو ما يتوافق أيضًا مع الصفر.
3. K ⁰جسيم متعادل الشحنة (يحتوي على كوارك سفلي وكوارك مضاد غريب) له كتلة497.648 ±  0.022 ميغا إلكترون فولت / ^ثانية² . ويبلغ متوسط ​​مربع نصف قطر الشحنة 497.648 ± 0.022 ميغا إلكترون فولت/ ثانية² .−0.076 ± 0.01 fm ²  .
4. K ⁰، الجسيم المضاد المشحون بشكل متعادل (الجسيم المضاد أعلاه) (الذي يحتوي على كوارك غريب وكوارك مضاد سفلي ) له نفس الكتلة.

كما يُظهر نموذج الكواركات ، فإن التعيينات تُشير إلى أن الكاونات تُشكّل ثنائيتين من الإيزوسبين ؛ أي أنها تنتمي إلى التمثيل الأساسي لـ SU(2) المسمى 2. إحدى هاتين الثنائيتين، ذات الغرابة +1، تحتوي على K ⁺و K ⁰تشكل الجسيمات المضادة الزوج الآخر (من الغرابة - 1).

خصائص الكاونات

اسم الجسيم	رمز الجسيم	رمز الجسيم المضاد	محتوى الكوارك	كتلة السكون [ MeV / c 2 ]	أنا جي	لجنة التحقيق المشتركة	S	ج	ب ′	متوسط ​​العمر [ ثانية ]	يتحلل عادةً إلى (>  5% من حالات التحلل)
كاون [ 1 ]	ك +	K −	نحن​	493.677 ± 0.016	١/٢​​​​	0 −	1	0	0	(1.2380 ± 0.0020) × 10 −8	μ ++ νμ أوπ ++ π 0أو π ++ π ++ π −أو π 0+ هـ ++ νهـ
كاون [ 2 ]	K 0	K 0	د س	497.611 ± 0.013	١/٢​​​​	0 −	1	0	0	[§]	[§]
K-short [ 3 ]	ك 0 س	الذات	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} \,}$[†] [ 4 ] [ 5 ]	497.611 ± 0.013 [‡]	١/٢​​​​	0 −	[*]	0	0	(8.954 ± 0.004) × 10 −11	π ++ π −أو π 0+ π 0
K-long [ 6 ]	K 0 L	الذات	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} \,}$[†] [ 4 ] [ 5 ]	497.611 ± 0.013 [‡]	١/٢​​​​	0 −	[*]	0	0	(5.116 ± 0.021) × 10 −8	π ±+ e ∓+ νe أوπ ±+ μ ∓+ νμ أوπ 0+ π 0+ π 0أو π ++ π 0+ π −

^[*] انظر ملاحظات حول الكاونات المتعادلة في مقالة قائمة الميزونات وخلط الكاونات المتعادلة أدناه. ^[§] ^ حالة ذاتية قوية . لا يوجد عمر محدد (انظر خلط الكاونات المتعادلة ). ^[†] ^ حالة ذاتية ضعيفة . ينقص التعويض حد صغير ينتهك تناظر الشحنة الزوجية (انظر خلط الكاونات المتعادلة ). ^{[‡] ^} كتلة الكاونين K₀L ^و K₀S _معطاة على أنها _كتلة الكاون ^K₀_ومع ^{ذلك ، من المعروف أن هناك} فرقًا طفيفًا نسبيًا بين كتل K0L و _K0S في حدود توجد قيمة 3.5 × 10 ⁻⁶ إلكترون فولت/ ثانية ^{. [ 6 ]}

على الرغم من أن K ⁰وجسيمه المضاد K ⁰تُنتَج هذه الجسيمات عادةً عبر القوة النووية القوية ، وتتحلل بشكل ضعيف . لذا، بمجرد تكوينها، يُفضَّل اعتبارها تراكبًا لحالتين ذاتيتين ضعيفتين لهما أعمار مختلفة تمامًا.

• يُطلق على الكاون المحايد طويل الأمد اسم K_{يتحلل جسيم L} ("طويل المدى K") بشكل أساسي إلى ثلاثةبيونات، ويبلغ متوسط ​​عمره 10000 بيون.5.18 × 10 ⁻⁸  ثانية .
• يُطلق على الكاون المحايد قصير العمر اسم K_S ("قصير K")، يتحلل بشكل أساسي إلى اثنين من البيونات، وله متوسط ​​عمر8.958 × 10 ⁻¹¹  ثانية .

  

( انظر مناقشة مزج الكاون المحايد أدناه. )

كانت الملاحظة التجريبية التي أجريت في عام 1964 والتي مفادها أن جسيمات K-longs نادراً ما تتحلل إلى اثنين من البيونات بمثابة اكتشاف انتهاك CP (انظر أدناه).

أنماط الاضمحلال الرئيسية لأيون البوتاسيوم (K ⁺⁾:

أنماط اضمحلال K ⁻هي مركبات شحنية مترافقة مع تلك المذكورة أعلاه.

تم العثور على نوعين مختلفين من الاضمحلال للميزونات الغريبة المشحونة إلى بيونات :

التكافؤ الذاتي للبيون هو P  =  −1 (لأن البيون حالة ارتباط بين كوارك وكوارك مضاد، لهما تكافؤان متعاكسان، مع زخم زاوي يساوي صفرًا)، والتكافؤ عدد كمي ضربي. لذلك، بافتراض أن الجسيم الأصلي له دوران مغزلي يساوي صفرًا، فإن حالتي البيون الثنائي والثلاثي النهائيتين لهما تكافؤان مختلفان (P  =  +1 و P  =  −1 على التوالي). كان يُعتقد أن الحالات الأولية يجب أن يكون لها أيضًا تكافؤان مختلفان، وبالتالي جسيمان مختلفان. ومع ذلك، مع زيادة دقة القياسات، لم يُعثر على أي فرق بين كتل وأعمار كل منهما، مما يشير إلى أنهما نفس الجسيم. عُرف هذا باسم لغز تاو- ثيتا ( τ– θ ). ^{[ 7 ]} لم يُحل هذا اللغز إلا باكتشاف انتهاك التكافؤ في التفاعل الضعيف (وخاصةً من خلال تجربة وو ). بما أن الميزونات تتحلل من خلال تفاعلات ضعيفة، فإن التكافؤ لا يُحفظ، والتحللان هما في الواقع تحللان لنفس الجسيم، ^{[ 8 ]} الذي يُسمى الآن K ⁺.

يمثل اكتشاف الهادرونات ذات العدد الكمي الداخلي "الغريب" بداية حقبة مثيرة للغاية في فيزياء الجسيمات، والتي لم تصل بعد إلى نهايتها حتى الآن، بعد مرور خمسين عامًا... وبشكل عام، قادت التجارب هذا التطور، وجاءت الاكتشافات الرئيسية بشكل غير متوقع أو حتى مخالفة لتوقعات المنظرين.  —  بيجي وساندا (2016) ^{[ 9 ]}

أثناء بحثه عن الميزون النووي الافتراضي ، وجد لويس ليبرينس رينجيه دليلاً على وجود جسيم أثقل مشحون إيجابياً في عام 1944. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

في عام ١٩٤٧، نشر جي دي روتشستر وسي سي بتلر من جامعة مانشستر صورتين مأخوذتين من غرفة سحابية لأحداث ناتجة عن الأشعة الكونية ، إحداهما تُظهر ما بدا أنه جسيم متعادل يتحلل إلى بيونين مشحونين، والأخرى تُظهر ما بدا أنه جسيم مشحون يتحلل إلى بيون مشحون وجسم متعادل. كانت الكتلة المُقدَّرة للجسيمات الجديدة تقريبية للغاية، حوالي نصف كتلة البروتون. وقد تأخر ظهور المزيد من هذه "الجسيمات V".

في عام 1949، رصدت روزماري براون (التي أصبحت فيما بعد روزماري فاولر)، وهي طالبة باحثة لدى سيسيل باول من جامعة بريستول  ، مسار جسيم "ك"، الذي نتج عن جسيم ذي كتلة مماثلة تحلل إلى ثلاثة بيونات. ^{[ 12 ] [ 13 ] (ص82)}

أدركتُ فورًا أنه أمرٌ جديدٌ وسيُصبح بالغ الأهمية. كنا نشهد أشياءً لم نرَ مثلها من قبل – هذا هو جوهر البحث في فيزياء الجسيمات. لقد كان الأمر مثيرًا للغاية.  —  فاولر (2024) ^{[ 12 ]}

أدى ذلك إلى ما يسمى بمشكلة "تاو-ثيتا": ^{[ 14 ]} ما بدا أنه نفس الجسيم (يسمى الآن K ⁺⁾تحللت جسيمات ثيتا إلى بيونين (تكافؤ +1)، وتاو إلى ثلاثة بيونات (تكافؤ -1). ^{[ 13 ]} واتضح أن حل هذا اللغز يكمن في أن التفاعلات الضعيفة لا تحافظ على التكافؤ . ^{[ 8 ]}

تحقق أول إنجاز علمي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك) ، حيث تم نقل غرفة سحابية إلى جبل ويلسون لزيادة التعرض للأشعة الكونية. في عام 1950، تم رصد 30  جسيمًا مشحونًا و4  جسيمات متعادلة تُعرف باسم "جسيمات V". وبناءً على ذلك، أُجريت العديد من عمليات الرصد من قمم الجبال على مدى السنوات التالية، وبحلول عام 1953، شاع استخدام المصطلحات التالية: "  ميزون L" للإشارة إما إلى الميون أو البيون المشحون ؛ و"  ميزون K" للإشارة إلى جسيم متوسط ​​الكتلة بين البيون والنيوكليون .

صاغ ليبرينس-رينجيه مصطلح " هايبرون " الذي لا يزال مستخدمًا حتى اليوم، للدلالة على أي جسيم أثقل من النيوكليون. ^{[ 10 ] [ 11 ]} واتضح أن جسيم ليبرينس-رينجيه هو ميزون K ⁺  . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

كانت عمليات الاضمحلال بطيئة للغاية؛ حيث تتراوح أعمارها النموذجية من رتبة10⁻¹⁰ ثانية  . ومع ذلك، فإن الإنتاج في ^{تفاعلات} البيون - البروتون يسير بشكل أسرع بكثير، بمقياس زمني قدره10⁻²³ ثانية  . حُلّت مشكلة هذا التباين على يد أبراهام بايس الذي افترض وجود عدد كمي جديد يُسمى " الغرابة "، وهو عدد محفوظ في ^{التفاعلات} القوية ولكنه يُنتهك في التفاعلات الضعيفة . تظهر الجسيمات الغريبة بكثرة نتيجة "الإنتاج المتزامن" لجسيم غريب وجسيم مضاد للغرابة معًا. وسرعان ما تبيّن أن هذا العدد الكمي لا يمكن أن يكون ضربيًا ، لأن ذلك كان سيسمح بحدوث تفاعلات لم تُشاهد قط في السنكروترونات الجديدة التي تم تشغيلها في مختبر بروكهافن الوطني عام 1953 وفي مختبر لورانس بيركلي عام 1955.

في البداية، كان يُعتقد أنه على الرغم من انتهاك التناظر ، إلا أن تناظر الشحنة والتكافؤ (CP) محفوظ. لفهم اكتشاف انتهاك تناظر الشحنة والتكافؤ، من الضروري فهم اختلاط الكاونات المتعادلة؛ فهذه الظاهرة لا تتطلب انتهاك تناظر الشحنة والتكافؤ، ولكنها السياق الذي لوحظ فيه هذا الانتهاك لأول مرة.

مزج الكاون المحايد

بما أن الكاونات المتعادلة تحمل غرابة، فلا يمكن أن تكون جسيماتها المضادة. لذا، لا بد من وجود نوعين مختلفين من الكاونات المتعادلة، يختلفان بمقدار وحدتين من الغرابة. وكان السؤال المطروح هو كيفية إثبات وجود هذين الميزونين. وقد اعتمد الحل على ظاهرة تُسمى تذبذبات الجسيمات المتعادلة ، والتي من خلالها يمكن لهذين النوعين من الميزونات أن يتحولا من أحدهما إلى الآخر عبر التفاعلات الضعيفة، مما يؤدي إلى تحللهما إلى بيونات (انظر الشكل المجاور).

قام موراي جيل مان وأبراهام بايس بدراسة هذه التذبذبات لأول مرة معًا. وقد درسا التطور الزمني الثابت لحالات ذات غرابة معاكسة. ويمكن كتابة ذلك باستخدام تدوين المصفوفات.

${\displaystyle \psi (t)=U(t)\psi (0)={\rm {e}}^{iHt}{\begin{pmatrix}a\\b\end{pmatrix}},\qquad H={\begin{pmatrix}M&\Delta \\\Delta &M\end{pmatrix}},}$

حيث ψ حالة كمومية للنظام، تُحدد بسعات وجودها في كلتا حالتي الأساس (وهما a و b عند الزمن t  =  0). تُعزى العناصر القطرية ( M ) للهاميلتوني إلى فيزياء التفاعل القوي، التي تحافظ على الغرابة. يجب أن يكون العنصران القطريان متساويين، لأن الجسيم والجسيم المضاد لهما نفس الكتلة في غياب التفاعلات الضعيفة. أما العناصر غير القطرية، التي تمزج جسيمات ذات غرابة متعاكسة، فتُعزى إلى التفاعلات الضعيفة؛ ويتطلب تناظر CP أن تكون حقيقية.

نتيجةً لكون المصفوفة H حقيقية، فإن احتمالات الحالتين ستتذبذب باستمرار ذهابًا وإيابًا. مع ذلك، إذا كان أي جزء من المصفوفة تخيليًا، كما هو محظور بموجب تناظر CP، فإن جزءًا من التركيبة سيتناقص بمرور الوقت. يمكن أن يكون الجزء المتناقص إما أحد المكونين ( a ) أو الآخر ( b )، أو مزيجًا منهما.

خلط

تُستخلص الحالات الذاتية من خلال قطريّة هذه المصفوفة. ينتج عن ذلك متجهات ذاتية جديدة، يمكننا تسميتها K1 _، وهي الفرق بين حالتين مختلفتين في الغرابة، و K2 ، وهي المجموع. هاتان الحالتان هما حالتان ذاتيتان لـ CP بقيم ذاتية متعاكسة؛ K1 _لها CP  =  +1، و K2 لها CP  = -1 _.  بما أن الحالة النهائية المكونة من بيونين لها أيضًا CP  = +1، _فإن K1  فقط هي التي يمكن _أن تتحلل بهذه الطريقة. يجب أن تتحلل K2 إلى ثلاثة بيونات _. ^{[ 15 ]}

_{بما أن} كتلة K₂ أكبر بقليل من مجموع كتل ثلاثة بيونات، فإن هذا الاضمحلال يسير ببطء شديد، أبطأ بنحو 600 مرة من اضمحلال _K₁ إلى بيونين. وقد رصد ليون ليدرمان وزملاؤه هذين النمطين المختلفين من الاضمحلال عام 1956، مما أثبت وجود حالتين ذاتيتين ضعيفتين (حالات ذات أعمار محددة عند الاضمحلال عبر القوة الضعيفة) للكاونات المتعادلة.

تُسمى هاتان الحالتان الذاتيتان الضعيفتان K_L (K-long, τ) وK_S (K-short, θ). يشير تناظر CP، الذي كان مفترضًا في ذلك الوقت، إلى أنK_S  =K₁وK _L  =K₂. 

التذبذب

شعاع نقي مبدئيًا من K ⁰سيتحول إلى جسيمه المضاد، K ⁰، أثناء انتشارها، والتي ستتحول مرة أخرى إلى الجسيم الأصلي، K ⁰وهكذا دواليك. يُسمى هذا تذبذب الجسيمات. عند رصد الاضمحلال الضعيف إلى ليبتونات ، وُجد أن K ⁰يتحلل دائماً إلى بوزيترون، بينما يتحلل الجسيم المضاد K ⁰تحلل إلى إلكترون. وقد أظهر التحليل السابق وجود علاقة بين معدل إنتاج الإلكترون والبوزيترون من مصادر البوتاسيوم النقي (K₀ ^).وجسيمه المضاد K ⁰أظهر تحليل التغير الزمني لهذا الاضمحلال شبه الليبتوني ظاهرة التذبذب، وسمح باستخلاص فرق الكتلة بين K_S وK_{L. بما أن هذا ناتج عن تفاعلات ضعيفة ،}فهو صغير جدًا، 10-15^ضعفكتلة كل حالة، أي∆MK=M(KL)-M(_KS)=(3.484 ± 6) × 10 ⁻¹²  MeV/ c ² . ^{[ 16 ]}

تجديد

يتحلل شعاع من الكاونات المحايدة أثناء طيرانه بحيث يصبح الكاون قصير العمر_{يختفي S} ، تاركًا شعاعًا منK_L. إذا تم إطلاق هذا الشعاع في المادة، فإنK ⁰وجسيمه المضاد K ⁰تتفاعل بشكل مختلف مع النوى. K ⁰يخضع لتشتت شبه مرن مع النيوكليونات ، بينما يمكن لجسيمه المضاد أن يُنتج هايبرونات . يختفي التماسك الكمومي بين الجسيمين نتيجةً للتفاعلات المختلفة التي ينخرط فيها كل مكون على حدة. يحتوي الشعاع الناتج بعد ذلك على تراكبات خطية مختلفة من K ⁰و K ⁰هذا التراكب هو مزيج من K_L وK_S ؛ الـK_{يُعاد توليد S} بتمرير حزمة من الكاونات المحايدة عبر المادة. ^{[ 17 ]} وقد رصدأوريست بيتشيونيوزملاؤه فيمختبر لورانس بيركلي الوطني. ^{[ 18 ]} وبعد ذلك بوقت قصير، أبلغ روبرت أدير وزملاؤه عن وجود فائضمن K_{تجديد S} ، وبالتالي فتح فصل جديد في هذا التاريخ.

• الهادرونات ، والميزونات ، والهايبرونات ، والنكهة
• الكوارك الغريب ونموذج الكوارك
• التكافؤ (في الفيزياء) ، اقتران الشحنة ، تناظر انعكاس الزمن ، ثبات CPT وانتهاك CP
• تذبذب النيوترينو
• تذبذب الجسيمات المحايدة

• أمسلر، سي.؛ دوسر، إم.؛ أنتونيلي، إم.؛ أسنر، دي.؛ بابو، ك.؛ باير، إتش.؛ وآخرون  ( مجموعة بيانات الجسيمات ) (2008). "مراجعة فيزياء الجسيمات" (ملف PDF) . رسائل الفيزياء ب . 667 (1): 1-1340 . رمز Bibcode : 2008PhLB..667....1A . doi : 10.1016/j.physletb.2008.07.018 . hdl : 1854/LU-685594 . S2CID 227119789. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 2020-09-07 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2019-12-13 . 
• إيدلمان، س.؛ هايز، ك.ج.؛ أوليف، ك.أ.؛ أغيلار-بينيتيز، م.؛ أمسلر، س.؛ أسنر، د.؛ وآخرون  ( مجموعة بيانات الجسيمات ) (2004). "مراجعة فيزياء الجسيمات". رسائل الفيزياء ب . 592 (1): 1. arXiv : astro-ph/0406663 . Bibcode : 2004PhLB..592....1P . doi : 10.1016/j.physletb.2004.06.001 .
• نموذج الكوارك ، بقلم جي جي جي كوكيدي
• سوزي، إم إس (2008). التناظرات المنفصلة وانتهاك تناظر الشحنة الزوجية . مطبعة جامعة أكسفورد . رقم ISBN 978-0-19-929666-8.
• بيجي، الثاني؛ ساندا، أ. (2000). انتهاك CP . مطبعة جامعة كامبريدج . ISBN 0-521-44349-0.
• غريفيث، دي جيه (1987). مقدمة في الجسيمات الأولية . جون وايلي وأولاده . ISBN 0-471-60386-4.

• ميزون K المتعادل – محاضرات فاينمان في الفيزياء
• وسائل الإعلام المتعلقة بكاون في ويكيميديا ​​​​كومنز