Стабильные элементарные 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 $P$ того, что частица распадется в течение ближайшего короткого промежутка времени $\delta t$ равна ${\frac {\delta t}{\tau }}$ и зависит лишь от постоянной $\tau$ и не зависит от предыстории. Этот факт является одним из подтверждений принципа тождественности элементарных частиц^[3]. Получаем уравнение для зависимости числа частиц от времени: $NP={\frac {N\delta t}{\tau }}=-\delta t{\frac {dN}{dt}}$ , ${\frac {dN}{dt}}=-{\frac {N}{\tau }}$ . Решение этого уравнения имеет вид^[4]^[2]: $N(t)=N_{0}\exp(-t/\tau )$ , где $N_{0}$ — 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: $n\rightarrow p+e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}$ , заряженный пи-мезон распадается на мюон и нейтрино: $\pi ^{+}\rightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }$ и т. д.

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

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

Время жизни элементарных частиц

Важной характеристикой элементарных частиц, наряду с массой, спином, электрическим зарядом является их время жизни. Временем жизни называется среднее время до распада, то есть постоянная $\tau$ в законе экспоненциального распада: $N(t)=N_{0}\exp(-t/\tau )$ ^[2]. Например, время жизни нейтрона $\tau _{n}=880$ сек, время жизни заряженного пи-мезона $\tau _{\pi ^{+}}=2,6033(5)\times 10^{-8}$ сек. Время жизни $\tau$ нестабильных частиц зависит от вида взаимодействия, вызывающего их распад^[8]. Наибольшие времена жизни имеют элементарные частицы, чей распад вызван слабым взаимодействием (нейтрон — $880$ сек, мюон — $2,2\times 10^{-6}$ сек, заряженный пион — $2,6\times 10^{-8}$ сек, гиперон — $10^{-10}-10^{-8}$ сек, каон — $1,2\times 10^{-8}$ сек). Меньшие времена жизни имеют элементарные частицы, чей распад вызван электромагнитным взаимодействием (нейтральный пион — $8,2\times 10^{-17}$ сек, эта-мезон — $5,1\times 10^{-19}$ сек). Наименьшие времена жизни имеют резонансы — $10^{-24}-10^{-22}$ 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: $\Gamma ={\frac {\hbar }{\tau }}$ . Это следует из соотношения неопределённостей между энергией и временем $\Delta E\Delta t\approx \hbar$ . Например, масса нуклонной изобары $\Delta$ равна 1236 Мэв, а её ширина — 120 Мэв ( $\tau \approx 5\times 10^{-24}$ с), что составляет около 10 % от массы^[10].

Вероятность распада $\omega$ характеризует интенсивность распада нестабильных частиц и равна доле частиц некоторого ансамбля, распадающейся в единицу времени: $\omega ={\frac {1}{\tau }}$ , где $\tau$ — 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: ${\frac {1}{\tau }}={\frac {1}{\tau _{1}}}+{\frac {1}{\tau _{2}}}+...+{\frac {1}{\tau _{N}}}$ , где $N$ — число способов распада, $\tau$ — время жизни. Относительная вероятность распада по $i$ -му способу равна: $P_{i}={\frac {\frac {1}{\tau _{i}}}{\frac {1}{\tau }}}$ . Независимо от числа типов её распада, элементарная частица всегда имеет только одно время жизни $\tau$ ^[12].

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

Время жизни достаточно долго живущих (до $10^{-16}$ 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 $K^{0}\leftrightarrows {\widetilde {K^{0}}}$ ^[15].

Примечания

↑ Ядерная физика, 1971, с. 286.
↑ ¹ ² ³ Тарасов Л. В. Мир, построенный на вероятности. — М., Просвещение, 1984. — Тираж 230000 экз. — с. 143
↑ ¹ ² Пригожин И. От существующего к возникающему. Время и сложность в физических науках. — М., КомКнига, 2006. — C. 82-84
↑ Киттель Ч., Найт У., Рудерман М. Берклеевский курс физики. Т. 1. Механика. — М.: Наука, 1975. — С. 442.
↑ 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.
↑ Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. — М., Наука, 1990. — с. 548
↑ Мощанский В. Н. Формирование мировоззрения учащихся при изучении физики. — М.: Просвещение, 1976. — Тираж 80 000 экз. — С.68, 76
↑ Ядерная физика, 1971, с. 269.
↑ Окунь Л. Б. Теорема CPT // Физика. Энциклопедия. — М., Большая Российская энциклопедия, 2003. — с. 744
↑ Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. — М., Просвещение, 1984. — С. 48-49
↑ ¹ ² Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. — М., Наука, 1988. — ISBN 5-02-013824-X. — Тираж 17 700 экз. — С. 159
↑ Киттель Ч., Найт У., Рудерман М. Берклеевский курс физики. Т. 1. Механика. — М.: Наука, 1975. — С. 464.
↑ Сена Л. А. Единицы физических величин и их размерности. — М.: Наука, 1977. — С. 257.
↑ Хлопов М. Ю. Время жизни частиц // Физика космоса. Маленькая энциклопедия. — М., Советская энциклопедия, 1986. — Тираж 70000 экз. — с. 186
↑ Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. — М., Просвещение, 1984. — с. 296

Литература

Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1971. — 672 с.

[_d1963acf2b6b30d9-1] Ядерная физика, 1971, с. 286.

[Tar-2] ¹ ² ³ Тарасов Л. В. Мир, построенный на вероятности. — М., Просвещение, 1984. — Тираж 230000 экз. — с. 143

[Prig-3] ¹ ² 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

[Mosh-7] Мощанский В. Н. Формирование мировоззрения учащихся при изучении физики. — М.: Просвещение, 1976. — Тираж 80 000 экз. — С.68, 76

[_d19640cf2b6b3b18-8] 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

[Okun-11] ¹ ² 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

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]