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)Шаблон:Sfn. 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. 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. 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: $N(t)=N_0\exp (-t/\tau )$ , где $N_0$ — число частиц в начальный момент. Таким образом, время жизни нестабильной элементарной частицы является случайной величиной с экспоненциальным законом распределения.

Например, нейтрон распадается по схеме: $n\to p+e^{-}+\overline{{\nu }_e}$, заряженный пи-мезон распадается на мюон и нейтрино: ${\pi }^{+}\to {\mu }^{+}+{\nu }_{\mu }$и т. д.

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

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 $m_a⩾\sum _i^n{m}_{c_i}$. Здесь $m_a$ — масса исходной частицы, $m_{c_i}$ — массы образовавшихся частиц. Например, при распаде нейтрона энерговыделение составляет: $Q=[m_n-(m_p+m_e)]c^2=0,78$ Мэв.

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.

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: $N(t)=N_0\exp (-t/\tau )$. 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 распадШаблон:Sfn. 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.

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

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.

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 $\tau$.

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

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).

Осцилляции элементарных частиц

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

Литература

• Шаблон:Книга