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| {{Begriffsklärungshinweis}} | | {{Begriffsklärungshinweis}} |
| {{Infobox Teilchen
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| |name=K<sup>+</sup>
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| |klassifikation=[[Boson]]<br />[[Hadron]]<br />[[Meson]]
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| |hauptquelle=<ref name="PDG">Die Angaben über die Teilcheneigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, entnommen aus: J. Beringer et al. ([[Particle Data Group]]): ''2013 Review of Particle Physics.'' In: ''[[Physical Review D]].'' Bd. 86, 2012, 010001 und {{internetquelle|url=http://pdg.web.cern.ch/pdg/2013/tables/contents_tables.html|sprache=englisch|hrsg=Particle Data Group|titel=2013 partial update for the 2014 edition|zugriff=26. Februar 2014}}</ref>
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| |wechselwirkung=[[Starke Wechselwirkung|stark]]<br />[[Schwache Wechselwirkung|schwach]]<br />[[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetisch]]<br />[[Gravitation]]
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| |quark=1 Up und 1 Anti-Strange
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| |lebensdauer_s=1,2380(21) · 10<sup>−8</sup>
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| |lebensdauer_a=
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| }} {{Infobox Teilchen
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| |name=K<sup>0</sup>
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| |klassifikation=[[Boson]]<br />[[Hadron]]<br />[[Meson]]
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| |hauptquelle=<ref name="PDG" />
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| |quark=1 Down und 1 Anti-Strange
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| |ladung_e=0
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| |isospinzahl=1/2
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| |isospin_z=−1/2
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| |lebensdauer=5,116(21) · 10<sup>−8</sup> [[Sekunde|s]] (K<sub>L</sub>)<br />8,954(4) · 10<sup>−11</sup> s (K<sub>S</sub>)
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| |bild=
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| }}
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| Die vier Arten von '''Kaonen''' oder '''K-Mesonen''' sind [[Teilchen (Physik)|Teilchen]] aus der Gruppe der [[Meson]]en. | | Die vier Arten von '''Kaonen''' oder '''K-Mesonen''' sind [[Teilchen (Physik)|Teilchen]] aus der Gruppe der [[Meson]]en. |
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| Wie alle Mesonen haben Kaonen ganzzahligen [[Spin]] und sind somit [[Boson]]en. Sie unterliegen der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]] und gehören damit auch zu den [[Hadron]]en. | | Wie alle Mesonen haben Kaonen ganzzahligen [[Spin]] und sind somit [[Boson]]en. Sie unterliegen der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]] und gehören damit auch zu den [[Hadron]]en. |
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| == Eigenschaften ==
| | {{PPA-Kupfer}} |
| * Das positiv geladene '''K<sup>+</sup>''' hat eine Masse von 493,677±0,016 MeV und eine mittlere [[Lebensdauer (Physik)|Lebensdauer]] von (1,2380±0,0021) · 10<sup>−8</sup> s.
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| * Sein Antiteilchen ist das negativ geladene '''K<sup>−</sup>'''. Masse und mittlere Lebensdauer des '''K<sup>−</sup>''' müssen aufgrund der [[CPT-Invarianz]] mit den entsprechenden Werten des '''K<sup>+</sup>''' übereinstimmen. Tatsächlich findet man experimentell die mit Null verträgliche Massendifferenz 0,032±0,090 MeV. Die relative Differenz der mittleren Lebensdauern beträgt (0,10±0,09) %.
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| * Die Masse des elektrisch neutralen '''K<sup>0</sup>''' beträgt 497,614±0,024 MeV.
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| * Sein Antiteilchen ist das ebenfalls elektrisch neutrale '''<u style="text-decoration:overline">K</u><sup>0</sup>'''. Die Massendifferenz zwischen den beiden neutralen Kaonen ist kleiner als 10<sup>−15</sup> MeV, was ebenfalls die CPT-Invarianz bestätigt.
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| Alle Angaben sind in [[Natürliche Einheiten|natürlichen Einheiten]] und stammen von der [[Particle Data Group]].<ref name="PDG" />
| | [[Kategorie:Elementarteilchen]] |
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| == Entdeckung ==
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| Die Kaonen wurden 1947 von [[George Rochester]] und [[Clifford Charles Butler]] in der [[Höhenstrahlung]] entdeckt. Erklärt wurde ihr Auftreten mit der Reaktion π<sup>+</sup> + n → K<sup>+</sup> + Λ. Ursprünglich bekamen sie den Namen ''[[seltsame Teilchen]]'' (engl. ''strange particles''), weil ihre Lebensdauer deutlich länger war als die der anderen damals bekannten instabilen Teilchen. Um dies zu beschreiben, wurde die [[Quantenzahl]] „Strangeness“ eingeführt. Diese wird zwar von der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]], die für die Produktion der Kaonen verantwortlich ist, [[Erhaltungsgröße|erhalten]], aber von der [[Schwache Wechselwirkung|schwachen Wechselwirkung]], über die sie [[Zerfallskanal|zerfallen]], verletzt.
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| [[Datei:FeynmanKaon.png|framed|Oszillation der neutralen Kaonen]]
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| Heute wird die relativ lange Lebensdauer der Kaonen mit dem Strange-Quark (kurz s-Quark) erklärt. Strange-Quarks entstehen über 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.
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| Da die Kaonen nach der Produktion in verschiedene Richtungen fliegen, können sich die beiden Strange-Quarks nicht im Umkehrprozess wieder [[Annihilation|annihilieren]]. Der Zerfall findet durch die Umwandlung des Strange-Quarks in das leichtere Up-Quark statt, die mit ihrer geringen [[Wahrscheinlichkeit]] die auffällig lange Lebensdauer der Kaonen erklärt. Die Umwandlung kann nur über die schwache Wechselwirkung erfolgen, da sie als einzige die Strangeness nicht erhält.
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| === Das τ-θ-Rätsel ===
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| Zunächst waren zwei verschiedene positiv geladene Mesonen mit Strangeness bekannt, die nach ihren Zerfallsprodukten unterschieden wurden:
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| :<math> \tau^+ \rightarrow \pi^+ + \pi^+ + \pi^-</math>
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| :<math> \theta^+ \rightarrow \pi^+ + \pi^0</math>
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| Die Endzustände dieser beiden Reaktionen haben verschiedene [[Parität (Physik)|Parität]]. Da zur damaligen Zeit angenommen wurde, dass die Parität in allen Reaktionen erhalten bliebe, hätten auch die Ausgangszustände τ und θ unterschiedliche Parität haben und damit zwei verschiedene Teilchen sein müssen. Präzisionsmessungen von Masse und Lebensdauer zeigten jedoch jeweils keinen Unterschied zwischen den beiden Teilchen, sie schienen identisch zu sein.
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| Die Lösung des Rätsels lag in der [[Paritätsverletzung]] der schwachen Wechselwirkung, nach der beide Zerfallsarten ablaufen: sie muss – entgegen der ursprünglichen Annahme – die Parität ''nicht'' erhalten. Die beiden Zerfälle konnten damit von demselben Teilchen stammen, das daraufhin ''K<sup>+</sup>'' genannt wurde.
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| == CP-Symmetrie ==
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| === Mischung der neutralen Kaonen ===
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| Das Kaon erlangte besondere Bedeutung im Zusammenhang mit der [[CP-Symmetrie]]. Zwar ist die [[Parität (Physik)|P-Symmetrie]] maximal verletzt, aber die kombinierte Symmetrie aus Parität ''P'' und [[Ladungskonjugation]] ''C'' bei allen Reaktionen in guter Näherung erhalten.
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| In Bezug auf starke (und elektromagnetische) Wechselwirkung alleine wären '''K<sup>0</sup>''' und '''<u style="text-decoration:overline">K</u><sup>0</sup>''' auch die physikalischen Kaonzustände (exakter: die experimentell beobachtbaren Massen[[Eigenzustand|eigenzustände]]). Da es aber durch die schwache Wechselwirkung eine Kopplung zwischen diesen beiden [[Zustand (Quantenmechanik)|Zuständen]] gibt, sind die physikalischen Kaonzustände [[Superposition (Physik) #Quantenmechanik|Mischungen]], die sich unter der Annahme von CP-Symmetrie wie folgt ergeben:
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| Es gilt:
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| :<math> CP |K^0\rangle = -|\bar{K}^0\rangle</math>
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| :<math> CP |\bar{K}^0\rangle = -|K^0\rangle</math>
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| Daraus ergeben sich die CP-Eigenzustände
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| :<math> |K^0_1\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} (|K^0\rangle-|\bar{K}^0\rangle)</math>
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| ::mit <math> CP |K^0_1\rangle = +|K^0_1\rangle</math>
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| und
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| :<math> |K^0_2\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} (|K^0\rangle+|\bar{K}^0\rangle)</math>
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| ::mit <math> CP |K^0_2\rangle = -|K^0_2\rangle.</math>
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| Der relative Massenunterschied dieser beiden Zustände ist kleiner als 10<sup>−14</sup>.
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| Unter der Annahme von CP-Symmetrie können diese Zustände nur CP-erhaltend zerfallen, woraus sich zwei verschiedene [[Zerfallskanal|Zerfallskanäle]] mit sehr unterschiedlichen [[Phasenraum|Phasenräumen]] und dementsprechend sehr unterschiedlichen Lebensdauern ergeben:
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| :<math> K^0_1 \rightarrow 2 \pi</math> (schnell, da großer Phasenraum)
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| :<math> K^0_2 \rightarrow 3 \pi</math> (langsam, da kleiner Phasenraum).
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| Tatsächlich hat man zwei Arten neutraler Kaonen gefunden, die sich stark in ihrer Lebensdauer unterscheiden. Diese wurden als K<sup>0</sup><sub>S</sub> (''short-lived'', mittlere Lebensdauer (8,953±0,005) · 10<sup>−11</sup> s) und K<sup>0</sup><sub>L</sub> (''long-lived'', mittlere Lebensdauer (5,116±0,020) · 10<sup>−8</sup> s) bezeichnet. Die mittlere Lebensdauer der langlebigen Variante ist also um einen Faktor von ungefähr 600 größer als die der kurzlebigen.
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| Aufgrund der angenommenen CP-Symmetrie lag es nahe, das beobachtete K<sup>0</sup><sub>S</sub> mit K<sup>0</sup><sub>1</sub> und das beobachtete K<sup>0</sup><sub>L</sub> mit K<sup>0</sup><sub>2</sub> zu identifizieren; demgemäß würde das K<sup>0</sup><sub>L</sub> stets in drei und nie in zwei [[Pion]]en zerfallen.
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| === CP-Verletzung ===
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| [[James Cronin]] und [[Val Fitch]] fanden jedoch 1964 heraus, dass das K<sup>0</sup><sub>L</sub> mit einer kleinen Wahrscheinlichkeit (etwa 10<sup>−3</sup>) auch in zwei Pionen zerfällt. Daraus ergibt sich, dass die physikalischen Zustände keine reinen CP-Eigenzustände sind, sondern jeweils zu einem kleinen Anteil <math>\epsilon</math> auch den anderen CP-Eigenzustand enthalten:
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| :<math> |K^0_S\rangle = \frac{1}{\sqrt{1+|\epsilon|^2}} (|K^0_1\rangle + \epsilon |K^0_2\rangle)</math>
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| :<math> |K^0_L\rangle = \frac{1}{\sqrt{1+|\epsilon|^2}} (|K^0_2\rangle + \epsilon |K^0_1\rangle).</math>
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| Dieses Phänomen ist in Experimenten sehr genau überprüft worden und wird als '''CP-Verletzung durch Mischung''' bezeichnet, weil sie durch eine Mischung der CP-Eigenzustände zum physikalischen Zustand gekennzeichnet ist. Da auf diese CP-Verletzung nur indirekt durch Beobachtung des Zerfalls rückgeschlossen werden kann, ist sie in der Fachliteratur sehr verbreitet auch als '''indirekte CP-Verletzung''' bekannt. Cronin und Fitch erhielten für ihre Entdeckung 1980 den [[Nobelpreis für Physik]].
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| Zusätzlich 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 später am [[CERN]] experimentell bestätigt: 1988 durch die NA31-Kollaboration (Sprecher [[Heinrich Wahl]]) und dann genauer in den 1990er Jahren im Folgeexperiment [[NA48]].
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| Bemerkenswert bleibt, dass die CP-Verletzung (direkt wie indirekt) nur in geringen Maße auftritt, im Gegensatz zur maximalen [[Paritätsverletzung]] der schwachen Wechselwirkung. Der Grund hierfür ist weiterhin unbekannt.
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| == Literatur ==
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| * [[Donald H. Perkins|Donald Perkins]]: ''Hochenergiephysik''. Oldenbourg 1991, ISBN 3-486-24347-0.
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| * [[Bogdan Povh]] et al., ''Teilchen und Kerne''. 6. Auflage. Springer, 2004, ISBN 3-540-21065-2.
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| <!-- aus dem Buch von Povh stammt das Diagramm -->
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| * Jonathan L. Rosner, Bruce D. Winstein: ''Kaon physics''. Univ. of Chicago Press, Chicago 2001, ISBN 0-226-90228-5.
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| == Siehe auch==
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| *[[Liste der Mesonen]]
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| == Einzelnachweise ==
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| <references />
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| [[Kategorie:Meson]]
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| [[Kategorie:Seltsame Materie]] | |
