K介子

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·罗彻斯特和克里福德·查理斯·巴特勒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。由于奇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。

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。

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。