Experimento de Cronin y Fitch con los Kaones

En el estudio de los kaones neutros, se encontraron dos especies de partículas con masas aparentemente idénticas, pero tiempos de vida muy diferentes. Estas partículas tienen diferentes modos de decaimiento.

En 1964, Cronin y Fitch realizaron un experimento de haz en el que se midió la desintegración de piones al final de una línea de haz de 57 pies de longitud. Dada la disparidad de los tiempos de vida de las dos especies de kaones, se esperaba ver al final del tubo de rayo la versión de larga duración, pero encontraron que alrededor de 1 de cada 500 decaimientos, eran decaimientos de 2 piones, característicos de la especie de vida corta.

La partícula de corta duración no debería ser observada más allá de unos pocos centímetros adelante de la línea del haz. Para demostrar eso, supóngase que se calcula el tiempo necesario para que decaiga un 1/500 de la población original. Con el tiempo de vida indicado, el cálculo de la semi-vida da un tiempo de 5,5 x 10^-10 segundos. A casi la velocidad de la luz, esto daría a una distancia de unos 17 centímetros, sólo una 1/100 de la longitud del tubo del haz de Cronin y Fitch. El problema con este número es que ignora la dilatación del tiempo relativista, y el tiempo de vida que se observa en un entorno de laboratorio, está dilatado por el factor de relatividad γ (a 0,98c, γ =5). La distancia revisada es entonces 17γ cm, por lo que incluso a 0,98c la población debería bajar un factor de 500 por el tiempo en que avanzó un metro a lo largo del tubo. Así que para cualquier velocidad de partícula esperada, se puede esperar que todos ellos hayan decaido mucho antes de llegar al final de la línea del haz.

Este experimento demostró que hubo una pequeña violación CP en el decaimiento del kaón, por lo que desde entonces, éste ha jugado un papel central en los estudios de estas simetrías.

Violación CP en el Decaimiento del Kaón

El decaimiento del kaón neutro, es el único experimento de la violación CP. El experimento de Cronin y Fitch fue el primero en demostrarlo, pero el decaimiento de los kaones en piones y electrones es más claro. Los dos procesos de decaimientos son:

Estos decaimientos son llamados decaimientos semi-leptónico, producen un mesón y dos leptones. Representan alrededor del 39% de decaimientos de K⁰_L, comparado con el 34% del modo de 3π. Utilizando las operaciones CP

vemos que la CP transforma un conjunto de productos de decaimientos en el otro. La invariancia CP debería entonces sugerir una probabilidad idéntica para los dos. Pero la evidencia experimental es que el patrón de decaimiento de positrones, sucede más a menudo que el decaimiento de electrones. El exceso fraccional es sólo 3,3 x 10^-3, pero este pequeño exceso sugiere una diferencia entre la materia y la antimateria. Esta pequeña violación de la invariancia CP, podría contener parte de la respuesta a por qué el universo se compone casi enteramente de materia en vez de antimateria.