imported>Wassermaus: Tabelle vereinfacht

2026-04-27T18:17:22Z

Tabelle vereinfacht

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{{Begriffsklärungshinweis}}
{{Infobox Teilchen
|name=K+
|klassifikation=[[Boson]] [[Hadron]] [[Meson]]
|hauptquelle=<ref name="PDG" />
|wechselwirkung=[[Starke Wechselwirkung|stark]] [[Schwache Wechselwirkung|schwach]] [[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetisch]] [[Gravitation]]
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|klassifikation=[[Boson]] [[Hadron]] [[Meson]]
|hauptquelle=<ref name="PDG" />
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|lebensdauer=5,116(21) · 10−8 [[Sekunde|s]] (KL) 8,954(4) · 10−11 s (KS)
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}}
Die '''Kaonen''' oder '''K-Mesonen''' sind [[Subatomares Teilchen|subatomare Teilchen]]. Sie gehören zur Klasse der [[Meson]]en, d. h., sie unterliegen der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]] und gehören damit zu den [[Hadron]]en. Sie sind die leichtesten zusammengesetzten Teilchen mit der Eigenschaft [[Strangeness]] und können daher nur über die [[schwache Wechselwirkung]] zerfallen.

== Eigenschaften ==
=== Quark-Struktur ===

Jedes Kaon enthält ein leichtes u- oder d- [[Quark (Physik)|Quark]] und ein mittelschweres Strange-Antiquark {{Oberstrich|s}} oder aber jeweils die entsprechenden [[Antiteilchen]]. Das Strange-Quark (bzw. das Strange-Antiquark) macht die Kaonen zu den leichtesten Mesonen mit [[Strangeness]] (dt.: ''Seltsamkeit'').

Die Bezeichnung als Kaon bzw. Antikaon folgt der Konvention, nach der bei positiver Ladung des schwersten Quarks (hier: {{Oberstrich|s}}) ein Meson und bei negativer Ladung (hier: s) ein Antimeson vorliegt.

Nach dieser Eigenschaft lassen sich die Kaonen in zwei [[Isospin]]-[[Dublett]]s organisieren:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|- class = "hintergrundfarbe5"
!
! colspan = 2 | K-Anti-Mesonen
! colspan = 2 | K-Mesonen
|- class = "hintergrundfarbe5"
|
| style = "width: 5em" | K−
| style = "width: 5em" | K0
| style = "width: 5em" | K0
| style = "width: 5em" | K+
|-
| Isospin <math>I_z</math>
| -½
| +½
| -½
| +½
|-
| Strangeness <math>S</math>
| colspan = 2 | −1
| colspan = 2 | +1
|-
| Quarks
| {{Oberstrich|u}}s
| {{Oberstrich|d}}s
| d{{Oberstrich|s}}
| u{{Oberstrich|s}}
|-
|}

Wie alle Mesonen haben Kaonen ganzzahligen [[Spin]] und sind somit [[Boson]]en. Sie unterliegen der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]] und gehören damit zu den [[Hadron]]en.

=== Masse ===
Die Kaonen haben eine Masse von rund 493,7 MeV/c² (K+, K−) bzw. 497,6 MeV/c² (K0, K0).

=== Lebensdauer und Zerfallskanäle ===
Kaonen zerfallen nur über die schwache Wechselwirkung und sind daher vergleichsweise langlebig.

Die [[Lebensdauer (Physik)|Lebensdauer]] des geladenen Kaons beträgt {{ZahlExp|1,24|-8|post=s}}. Die häufigsten Zerfallsmodi des K− sind
: <math>K^- \rarr \mu^- + \overline\nu_\mu\qquad</math> (63,6 %)  und
: <math>K^- \rarr \pi^- + \pi^0\qquad</math> (20,1 %).

Für K0 und K0 ist die Lebensdauer nicht definiert; ihre quantenmechanischen Mischungen (siehe unten) haben Lebensdauern von 5,1 · 10−8 s (KL) und 9,0 · 10−11 s (KS). Dabei zerfällt das KS hauptsächlich in zwei Pionen:
: <math>K^0_S \rarr \pi^++\pi^-\qquad</math> (69,2 %),
: <math>K^0_S \rarr \pi^0+\pi^0\qquad\,</math> (30,7 %),
während beim KL semileptonische Zerfälle dominieren:
: <math>K^0_L \rarr \pi^\mp + \mathrm e^\pm + \nu_\mathrm e\qquad</math> (40,6 %),
: <math>K^0_L \rarr \pi^\mp + \mu^\pm + \nu_\mu\qquad</math> (27,0 %),
: <math>K^0_L \rarr \pi^0+\pi^0+\pi^0\qquad\,</math> (19,5 %).
: <math>K^0_L \rarr \pi^-+\pi^++\pi^0\qquad</math> (12,5 %).

Die [[CPT-Invarianz]] impliziert, dass die Teilchen-Antiteilchenpaare K+ ↔ K− und K0 ↔ K0 jeweils identische Massen und Lebensdauern haben. Präzisionsmessungen dieser Größen haben dies bestätigt.

== Entdeckung ==

Die Kaonen wurden 1947 von [[George Rochester]] und [[Clifford Charles Butler]] in der [[Höhenstrahlung]] entdeckt. Erklärt wurde ihr Auftreten mit der Reaktion π+ + n → K+ + 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.

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.

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. Diese Umwandlung kann nur über die schwache Wechselwirkung erfolgen, was die auffällig lange Lebensdauer der Kaonen erklärt.

=== Das τ-θ-Rätsel und die Paritätsverletzung ===

Anfang der 1950er Jahre waren zwei verschiedene positiv geladene Mesonen mit Strangeness bekannt, die nach ihren Zerfallsprodukten unterschieden wurden:

:<math> \tau^+ \rightarrow \pi^+ + \pi^+ + \pi^-</math>
:<math> \theta^+ \rightarrow \pi^+ + \pi^0</math>

Die Endzustände dieser Reaktionen haben verschiedene [[Parität (Physik)|Parität]], was nach damaliger Vorstellung auch für die Ausgangszustände τ und θ gelten sollte. Präzisionsmessungen von Masse und Lebensdauer zeigten jedoch keinerlei Unterschied zwischen τ und θ. Als dann 1956 die [[Paritätsverletzung]] der schwachen Wechselwirkung entdeckt wurde, war klar, dass es dasselbe Teilchen war, das daraufhin K+ genannt wurde. Der Zerfall erhält also nicht die Parität des Ausgangsteilchens.

== CP-Erhaltung ==

=== Mischung der neutralen Kaonen ===

[[Datei:Kaon-box-diagram-with-bar.svg|mini|Durch Austausch zweier [[W-Boson]]en kann sich ein Anti-K0 in ein K0 umwandeln und umgekehrt.]]

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.

In Bezug auf starke (und elektromagnetische) Wechselwirkung alleine wären K0 und K0 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:

Es gilt:
:<math> CP |K^0\rangle = -|\bar{K}^0\rangle</math>
:<math> CP |\bar{K}^0\rangle = -|K^0\rangle</math>

Daraus ergeben sich die CP-Eigenzustände
:<math> |K^0_1\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} (|K^0\rangle-|\bar{K}^0\rangle)</math>
:: mit <math> CP |K^0_1\rangle = +|K^0_1\rangle</math>
und
:<math> |K^0_2\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} (|K^0\rangle+|\bar{K}^0\rangle)</math>
:: mit <math> CP |K^0_2\rangle = -|K^0_2\rangle.</math>

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:

:<math> K^0_1 \rightarrow 2 \pi</math> (schnell, da großer Phasenraum)
:<math> K^0_2 \rightarrow 3 \pi</math> (langsam, da kleiner Phasenraum).

Tatsächlich hat man zwei Arten neutraler Kaonen gefunden, die sich stark in ihrer Lebensdauer unterscheiden. Diese wurden als K0S (''short-lived'', mittlere Lebensdauer ({{ZahlExp|9,0|-11|post=s}})) und K0L (''long-lived'', mittlere Lebensdauer ({{ZahlExp|5,1|-8|post=s}})) bezeichnet. Die mittlere Lebensdauer der langlebigen Variante ist also um einen Faktor von ungefähr 600 größer als die der kurzlebigen. Die beiden Kaonen unterscheiden sich geringfügig in der Masse: das K0L ist um {{ZahlExp|3,48|-12|post=MeV/c2}} schwerer, ein relativer Unterschied von weniger als 10−14.

Aufgrund der angenommenen CP-Symmetrie lag es nahe, das beobachtete K0S mit K01 und das beobachtete K0L mit K02 zu identifizieren; demgemäß würde das K0L stets in drei und nie in zwei [[Pion]]en zerfallen.

=== CP-Verletzung ===

[[James Cronin]] und [[Val Fitch]] fanden jedoch 1964 heraus, dass das K0L mit einer kleinen Wahrscheinlichkeit (etwa 10−3) 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:

:<math> |K^0_S\rangle = \frac{1}{\sqrt{1+|\varepsilon|^2}} (|K^0_1\rangle + \varepsilon |K^0_2\rangle)</math>
:<math> |K^0_L\rangle = \frac{1}{\sqrt{1+|\varepsilon|^2}} (\varepsilon |K^0_1\rangle+|K^0_2\rangle).</math>

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]]. Die Mischung beträgt <math>\varepsilon \approx 2{,}3\cdot 10^{-3}</math>.

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 (Physiker)|Heinrich Wahl]]) und dann genauer in den 1990er Jahren im Folgeexperiment [[NA48]].

Bemerkenswert bleibt, dass die CP-Verletzung (direkt wie indirekt) nur in geringem Maße auftritt, im Gegensatz zur maximalen [[Paritätsverletzung]] der schwachen Wechselwirkung. Der Grund hierfür ist weiterhin unbekannt.

== Literatur ==
* [[Donald H. Perkins|Donald Perkins]]: ''Hochenergiephysik''. Oldenbourg 1991, ISBN 3-486-24347-0.
* [[Bogdan Povh]] et al., ''Teilchen und Kerne''. 6. Auflage. Springer, 2004, ISBN 3-540-21065-2.

* Jonathan L. Rosner, Bruce D. Winstein: ''Kaon physics''. Univ. of Chicago Press, Chicago 2001, ISBN 0-226-90228-5.

== Siehe auch ==
* [[Liste der Mesonen]]

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="PDG">
Die Angaben über die Teilcheneigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, entnommen aus:
{{Internetquelle |autor=P.A. Zyla et al. ([[Particle Data Group]]) |url=https://pdg.lbl.gov/ |titel=2020 Review of Particle Physics, Summary Tables – Mesons |werk=Prog. Theor. Exp. Phys. 2020, 083C01 (2020) |hrsg=Particle Data Group |format= |sprache=en |abruf=2021-06-18}}
</ref>
</references>

[[Kategorie:Meson]]
[[Kategorie:Seltsame Materie]]

Kaon - Versionsgeschichte

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