Le kaon

Le méson K, également connu sous le nom de kaon, est une particule subatomique appartenant à la famille des hadrons. Les hadrons sont des particules composées de quarks et/ou d'antiquarks, maintenus ensemble par l'interaction forte. Plus précisément, les kaons sont des mésons, c'est-à-dire qu'ils sont constitués d'une paire quark-antiquark. Leur caractéristique distinctive est qu'ils contiennent au moins un quark étrange (s) ou un antiquark étrange ().

Il existe quatre types principaux de kaons, qui sont des partenaires particule-antiparticule :

• Le kaon chargé positivement, K⁺, dont la composition en quarks est u (un quark up et un antiquark étrange).

• Le kaon chargé négativement, K^-, qui est l'antiparticule du K⁺, composé d'un antiquark up et d'un quark étrange (s).

Le kaon neutre, K⁰, composé d'un quark down et d'un antiquark étrange (d).

• L'antikaon neutre, qui est l'antiparticule du K⁰, composé d'un antiquark down et d'un quark étrange (s).

Une propriété fondamentale des kaons est leur étrangeté, un nombre quantique associé au quark étrange. Le K⁺ et le K⁰ ont une étrangeté de +1 (car l'antiquark étrange  a une étrangeté de +1, et les quarks u et d ont une étrangeté de 0), tandis que le K^- et l'anti-K neutre ont une étrangeté de -1 (car le quark étrange s a une étrangeté de -1). L'étrangeté est conservée dans les interactions fortes et électromagnétiques, ce qui explique pourquoi les kaons sont souvent produits par paires (production associée) dans les collisions de haute énergie impliquant l'interaction forte (par exemple, un kaon étrange +1 est produit avec un baryon étrange -1, comme un hypéron Λ⁰).

Cependant, les kaons ne sont pas stables et se désintègrent via l'interaction faible. La désintégration par l'interaction faible est nécessaire car elle permet de changer l'étrangeté (par exemple, un quark étrange peut se transformer en un quark up ou down via l'émission d'un boson W). C'est ce qui explique la durée de vie relativement longue des kaons par rapport aux particules qui se désintègrent par interaction forte (comme certaines résonances hadroniques) – leur durée de vie est de l'ordre de 10^-8 secondes pour les kaons chargés et une propriété encore plus remarquable pour les neutres.

Les kaons chargés (K⁺ et K^-) se désintègrent principalement en pions et/ou en leptons (électrons ou muons et leurs neutrinos). 

Les kaons neutres (K⁰ et anti-K neutre) présentent un phénomène de mélange. Bien que ces kaons soient des états distincts définis par leur étrangeté (+1 et -1), les états qui se désintègrent via l'interaction faible ne sont pas ces états d'étrangeté, mais des superpositions linéaires de K⁰ et anti-K neutre. Ceci est dû au fait que l'interaction faible peut transformer un K⁰ en anti-K neutre (et inversement). Les états propres de la désintégration faible sont le KS (kaon neutre de courte durée de vie) et le KL (kaon neutre de longue durée de vie). 

Le KS se désintègre très rapidement (durée de vie d'environ 0,089.10^-9 s), principalement en deux pions (KS → Ï€ Ï€). Cette désintégration respecte la symétrie CP (Charge-Parité), car l'état final de deux pions a une parité CP positive. Le KL se désintègre beaucoup plus lentement (durée de vie d'environ 51.10^-9 s), soit environ 500 fois plus longtemps que le KS. Ses modes de désintégration principaux sont en trois pions (KL → Ï€ Ï€ Ï€)) ou des modes semi-leptoniques (KL → Ï€  e  νe, KL → Ï€   μ  νμ). Ces désintégrations conservent aussi la symétrie CP (dans l'approximation où KL est l'état propre de CP = -1).

Le phénomène des kaons neutres a joué un rôle crucial dans la découverte de la violation de la symétrie CP en 1964 par Cronin et Fitch. Ils ont observé que le KL, qui était censé n'avoir que des désintégrations en trois pions (état CP = -1), se désintégrait occasionnellement (à environ 0,2%) en deux pions (état CP = +1). Cette désintégration rare prouvait que le KL n'était pas un état propre de CP parfait et que la symétrie CP était violée dans l'interaction faible. Cette découverte fondamentale a été récompensée par le prix Nobel de physique et intervient dans la compréhension que l'on peut avoir du fait que  l'univers actuel est dominé par la matière plutôt que par l'antimatière.

Historiquement, les kaons (initialement appelés particules V en raison de la forme de "V" inversé de leurs traces de désintégration observées dans les chambres à brouillard) furent parmi les premières "particules étranges" découvertes dans les rayons cosmiques à la fin des années 1940. Leurs propriétés de production (forte) et de désintégration (faible) ont conduit à l'introduction du concept d'étrangeté et ont été des éléments clés pour le développement du modèle des quarks et de la théorie de l'interaction faible.