Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер

















Яндекс.Метрика





Стабильные элементарные частицы

Стабильные элементарные частицы — 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). 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 {displaystyle P} того, что частица распадется в течение ближайшего короткого промежутка времени δ t {displaystyle delta t} равна δ t τ {displaystyle {frac {delta t}{ au }}} и зависит лишь от постоянной τ {displaystyle au } и не зависит от предыстории. Этот факт является одним из подтверждений принципа тождественности элементарных частиц. Получаем уравнение для зависимости числа частиц от времени: N P = N δ t τ = − δ t d N d t {displaystyle NP={frac {Ndelta t}{ au }}=-delta t{frac {dN}{dt}}} , d N d t = − N τ {displaystyle {frac {dN}{dt}}=-{frac {N}{ au }}} . Решение этого уравнения имеет вид: N ( t ) = N 0 exp ⁡ ( − t / τ ) {displaystyle N(t)=N_{0}exp(-t/ au )} , где N 0 {displaystyle 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 → p + e − + ν e ¯ {displaystyle n ightarrow p+e^{-}+{ar { u _{e}}}} , заряженный пи-мезон распадается на мюон и нейтрино: π + → μ + + ν μ {displaystyle pi ^{+} ightarrow mu ^{+}+ u _{mu }} и т.д.

Многие элементарные частицы распадаются несколькими способами. Например, лямбда-гиперон c относительной вероятностью 65 % {displaystyle 65%} распадается на протон и отрицательный пи-мезон Λ → p + π − {displaystyle Lambda ightarrow p+pi ^{-}} и с вероятностью 35 % {displaystyle 35%} - на нейтрон и нейтральный пи-мезон Λ → n + π 0 {displaystyle Lambda ightarrow n+pi ^{0}} .

Все самопроизвольные распады типа a → c 1 + . . . + c n {displaystyle a o 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 ⩾ ∑ i n m c i {displaystyle m_{a}geqslant sum _{i}^{n}m_{c_{i}}} . Здесь m a {displaystyle m_{a}} - масса исходной частицы, m c i {displaystyle m_{c_{i}}} - массы образовавшихся частиц. Например, при распаде нейтрона энерговыделение составляет: Q = [ m n − ( m p + m e ) ] c 2 = 0 , 78 {displaystyle Q=left[m_{n}-(m_{p}+m_{e}) ight]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.

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.

Время жизни элементарных частиц

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

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

Время жизни элементарной частицы τ {displaystyle au } и её период полураспада T 1 / 2 {displaystyle T_{1/2}} связаны соотношением: T 1 / 2 = ln ⁡ 2 τ = 0 , 693 τ {displaystyle T_{1/2}=ln {2} au =0,693 au } .

Время жизни достаточно долго живущих (до 10 − 16 {displaystyle 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 ⇆ K 0 ~ {displaystyle K^{0}leftrightarrows {widetilde {K^{0}}}} .