Стабильные элементарные частицы

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис
(перенаправлено с «Распад элементарной частицы»)

Стаби́льные элемента́рные части́цы — элементарные частицы, имеющие бесконечно большое время жизни в свободном состоянии. Стабильными элементарными частицами являются частицы, имеющие минимальные массы при заданных значениях всех сохраняющихся зарядов (электрический, барионный, лептонный заряды) (протон, электрон, фотон, нейтрино, гравитон и их античастицы)[1]. Есть гипотеза о нестабильности протона и антипротона — распад протона.

Нестабильные элементарные частицы

Все остальные элементарные частицы нестабильны, то есть самопроизвольно распадаются на другие частицы в свободном состоянии. Экспериментально установлено, что вероятность распада нестабильной элементарной частицы не зависит от продолжительности её существования и времени наблюдения за ней. Предсказать момент распада данной элементарной частицы невозможно. Можно предсказать лишь среднее время жизни большого числа частиц одного вида[2]. Вероятность [math]\displaystyle{ P }[/math] того, что частица распадется в течение ближайшего короткого промежутка времени [math]\displaystyle{ \delta t }[/math] равна [math]\displaystyle{ \frac{\delta t}{\tau} }[/math] и зависит лишь от постоянной [math]\displaystyle{ \tau }[/math] и не зависит от предыстории. Этот факт является одним из подтверждений принципа тождественности элементарных частиц[3]. Получаем уравнение для зависимости числа частиц от времени: [math]\displaystyle{ NP=\frac{N \delta t}{\tau} = - \delta t \frac{dN}{dt} }[/math], [math]\displaystyle{ \frac{dN}{dt} = - \frac{N}{\tau} }[/math]. Решение этого уравнения имеет вид[4][2]: [math]\displaystyle{ N(t)=N_0 \exp(-t/\tau) }[/math] , где [math]\displaystyle{ N_0 }[/math] - число частиц в начальный момент[5][3]. Таким образом, время жизни нестабильной элементарной частицы является случайной величиной с экспоненциальным законом распределения.

Например, нейтрон распадается по схеме: [math]\displaystyle{ n \rightarrow p + e^{-} + \bar{\nu_{e}} }[/math], заряженный пи-мезон распадается на мюон и нейтрино: [math]\displaystyle{ \pi^{+} \rightarrow \mu^{+} + \nu_{\mu} }[/math]и т.д.

Многие элементарные частицы распадаются несколькими способами. Например, лямбда-гиперон c относительной вероятностью [math]\displaystyle{ 65\% }[/math] распадается на протон и отрицательный пи-мезон [math]\displaystyle{ \Lambda \rightarrow p + \pi^{-} }[/math] и с вероятностью [math]\displaystyle{ 35\% }[/math] - на нейтрон и нейтральный пи-мезон [math]\displaystyle{ \Lambda \rightarrow n + \pi^{0} }[/math].

Все самопроизвольные распады типа [math]\displaystyle{ a \to c_{1} + ... + c_{n} }[/math] являются экзотермическими процессами (часть начальной энергии покоя превращается в кинетическую энергию образовавшихся частиц) и могут протекать только при условии [math]\displaystyle{ m_{a} \geqslant \sum_{i}^{n} m_{c_{i}} }[/math]. Здесь [math]\displaystyle{ m_{a} }[/math] - масса исходной частицы, [math]\displaystyle{ m_{c_{i}} }[/math] - массы образовавшихся частиц. Например, при распаде нейтрона энерговыделение составляет: [math]\displaystyle{ Q = \left [ m_{n} - (m_{p} + m_{e}) \right ]c^{2} = 0,78 }[/math] Мэв[6].

Явление распада элементарной частицы не означает, что она состоит из частиц, образующихся после её распада. Распад элементарной частицы не является процессом её механического деления на части, а представляет собой процесс исчезновения одних частиц и рождения других, свидетельствующий о сложности элементарных частиц, о неисчерпаемости их свойств, о немеханическом характере их поведения[7].

Нестабильность частиц является одним из проявлений свойства взаимопревращаемости частиц, являющегося следствием их взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого, гравитационного. Распад нестабильных элементарных частиц происходит вследствие их взаимодействия с нулевыми колебаниями того поля, которое ответственно за их распад. Взаимодействия частиц вызывают превращения частиц и их совокупностей в другие частицы, если такие превращения не запрещены законами сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда, барионного заряда и др.

С точки зрения диалектического материализма, превращения элементарных частиц друг в друга являются одной из форм движения материи и свидетельствует о сложности их свойств, неисчерпаемости материи и подтверждают тезис о неуничтожимости и несотворимости материи и движения[7].

Время жизни элементарных частиц

Важной характеристикой элементарных частиц, наряду с массой, спином, электрическим зарядом является их время жизни. Временем жизни называется постоянная [math]\displaystyle{ \tau }[/math] в законе экспоненциального распада: [math]\displaystyle{ N(t) = N_0\exp(-t/\tau) }[/math][2]. Например, время жизни нейтрона [math]\displaystyle{ \tau_{n} = 880 }[/math] сек, время жизни заряженного пи-мезона [math]\displaystyle{ \tau_{\pi^{+}} = 2,6033(5)\times10^{-8} }[/math] сек. Время жизни [math]\displaystyle{ \tau }[/math] нестабильных частиц зависит от вида взаимодействия, вызывающего их распад[8]. Наибольшие времена жизни имеют элементарные частицы, чей распад вызван слабым взаимодействием (нейтрон - [math]\displaystyle{ 880 }[/math] сек, мюон - [math]\displaystyle{ 2,2\times10^{-6} }[/math] сек, заряженный пион - [math]\displaystyle{ 2,6\times10^{-8} }[/math] сек, гиперон - [math]\displaystyle{ 10^{-10} - 10^{-8} }[/math] сек, каон - [math]\displaystyle{ 1,2\times10^{-8} }[/math] сек). Меньшие времена жизни имеют элементарные частицы, чей распад вызван электромагнитным взаимодействием (нейтральный пион - [math]\displaystyle{ 8,2\times10^{-17} }[/math] сек, эта-мезон - [math]\displaystyle{ 5,1\times10^{-19} }[/math] сек). Наименьшие времена жизни имеют резонансы - [math]\displaystyle{ 10^{-24} - 10^{-22} }[/math] сек.

Из CPT-инвариантности следует, что времена жизни частиц и античастиц равны. Это утверждение экспериментально проверено с точностью, не превышающей 10-3[9].

Для короткоживущих частиц (резонансов) вместо времени жизни используется ширина, обладающая размерностью энергии: [math]\displaystyle{ \Gamma = \frac{\hbar}{\tau} }[/math]. Это следует из соотношения неопределённостей между энергией и временем [math]\displaystyle{ \Delta E \Delta t \approx \hbar }[/math]. Например, масса нуклонной изобары [math]\displaystyle{ \Delta }[/math] равна 1236 Мэв, а её ширина - 120 Мэв ([math]\displaystyle{ \tau \approx 5 \times 10^{-24} }[/math] с), что составляет около 10% от массы[10].

Вероятность распада [math]\displaystyle{ \omega }[/math] характеризует интенсивность распада нестабильных частиц и равна доле частиц некоторого ансамбля, распадающейся в единицу времени: [math]\displaystyle{ \omega = \frac{1}{\tau} }[/math], где [math]\displaystyle{ \tau }[/math] - время жизни элементарной частицы[11].

Многие элементарные частицы имеют несколько способов распада. В этом случае общая вероятность распада частицы за некоторое время равна сумме вероятностей распада по различным способам: [math]\displaystyle{ \frac{1}{\tau} = \frac{1}{\tau_{1}} + \frac{1}{\tau_{2}} + ... + \frac{1}{\tau_{N}} }[/math], где [math]\displaystyle{ N }[/math] - число способов распада, [math]\displaystyle{ \tau }[/math] - время жизни. Относительная вероятность распада по [math]\displaystyle{ i }[/math]-му способу равна: [math]\displaystyle{ P_{i}=\frac{ \frac{1}{\tau_{i}}}{\frac{1}{\tau}} }[/math]. Независимо от числа типов её распада, элементарная частица всегда имеет только одно время жизни [math]\displaystyle{ \tau }[/math][12].

Время жизни элементарной частицы [math]\displaystyle{ \tau }[/math] и её период полураспада [math]\displaystyle{ T_{1/2} }[/math] связаны соотношением: [math]\displaystyle{ T_{1/2}= \ln {2} \tau = 0,693 \tau }[/math][13].

Время жизни достаточно долго живущих (до [math]\displaystyle{ 10^{-16} }[/math] сек) элементарных частиц измеряется непосредственно, по её скорости и расстоянию, которое она пролетает до распада. Для частиц с очень малыми временами жизни время жизни измеряют, определяя вероятность распада по зависимости сечения процесса от энергии (формула Брейта — Вигнера)[11].

Осцилляции элементарных частиц

Переходы из состояния одной частицы в состояние другой частицы без испускания других свободных частиц называются осцилляциями[14]. Примером осцилляции являются превращения нейтральных каонов из частицы в античастицу и обратно [math]\displaystyle{ K^{0} \leftrightarrows \widetilde{K^{0}} }[/math][15].

Примечания

  1. ↑ Ядерная физика, 1971, с. 286.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 Тарасов Л. В. Мир, построенный на вероятности. - М., Просвещение, 1984. - Тираж 230000 экз. - с. 143
  3. ↑ 3,0 3,1 Пригожин И. От существующего к возникающему. Время и сложность в физических науках. - М., КомКнига, 2006. - C. 82-84
  4. ↑ Киттель Ч., Найт У., Рудерман М. Берклеевский курс физики. Т. 1. Механика. — М.: Наука, 1975. — С. 442.
  5. ↑ Имеются теоретические соображения в пользу того, что закон экспоненциального распада не является вполне точным, но отклонения от него слишком малы, чтобы их можно было измерить современными средствами.
  6. ↑ Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. - М., Наука, 1990. - с. 548
  7. ↑ 7,0 7,1 Мощанский В. Н. Формирование мировоззрения учащихся при изучении физики. — М.: Просвещение, 1976. — Тираж 80 000 экз. — С.68, 76
  8. ↑ Ядерная физика, 1971, с. 269.
  9. ↑ Окунь Л. Б. Теорема CPT // Физика. Энциклопедия. - М., Большая Российская энциклопедия, 2003. - с. 744
  10. ↑ Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - М., Просвещение, 1984. - С. 48-49
  11. ↑ 11,0 11,1 Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. - М., Наука, 1988. - ISBN 5-02-013824-X. - Тираж 17 700 экз. - С. 159
  12. ↑ Киттель Ч., Найт У., Рудерман М. Берклеевский курс физики. Т. 1. Механика. — М.: Наука, 1975. — С. 464.
  13. ↑ Сена Л. А. Единицы физических величин и их размерности. — М.: Наука, 1977. — С. 257.
  14. ↑ Хлопов М. Ю. Время жизни частиц // Физика космоса. Маленькая энциклопедия. - М., Советская энциклопедия, 1986. - Тираж 70000 экз. - с. 186
  15. ↑ Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - М., Просвещение, 1984. - с. 296

Литература

Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Стабильные_элементарные_частицы&oldid=7080340#Нестабильные_элементарные_частицы