Русская Википедия:Стабильные элементарные частицы

Материал из Онлайн справочника
Версия от 12:30, 17 сентября 2023; EducationBot (обсуждение | вклад) (Новая страница: «{{Русская Википедия/Панель перехода}} '''Стаби́льные элемента́рные части́цы''' — элементарные частицы, имеющие бесконечно большое время жизни в свободном состоянии. Стабильными элементарными частицами являются частицы, имеющие минимальные Масса|м...»)
(разн.) ← Предыдущая версия | Текущая версия (разн.) | Следующая версия → (разн.)
Перейти к навигацииПерейти к поиску

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[1]. Вероятность <math>P</math> того, что частица распадется в течение ближайшего короткого промежутка времени <math>\delta t</math> равна <math>\frac{\delta t}{\tau}</math> и зависит лишь от постоянной <math>\tau</math> и не зависит от предыстории. Этот факт является одним из подтверждений принципа тождественности элементарных частиц[2]. Получаем уравнение для зависимости числа частиц от времени: <math>NP=\frac{N \delta t}{\tau} = - \delta t \frac{dN}{dt}</math>, <math>\frac{dN}{dt} = - \frac{N}{\tau}</math>. Решение этого уравнения имеет вид[3][1]: <math>N(t)=N_0 \exp(-t/\tau)</math> , где <math>N_0</math> — число частиц в начальный момент[4][2]. Таким образом, время жизни нестабильной элементарной частицы является случайной величиной с экспоненциальным законом распределения.

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

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

Все самопроизвольные распады типа <math>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>m_{a} \geqslant \sum_{i}^{n} m_{c_{i}}</math>. Здесь <math>m_{a}</math> — масса исходной частицы, <math>m_{c_{i}}</math> — массы образовавшихся частиц. Например, при распаде нейтрона энерговыделение составляет: <math>Q = \left [ m_{n} - (m_{p} + m_{e}) \right ]c^{2} = 0,78</math> Мэв[5].

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[6].

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 постоянная <math>\tau</math> в законе экспоненциального распада: <math>N(t) = N_0\exp(-t/\tau)</math>[1]. Например, время жизни нейтрона <math>\tau_{n} = 880</math> сек, время жизни заряженного пи-мезона <math>\tau_{\pi^{+}} = 2,6033(5)\times10^{-8}</math> сек. Время жизни <math>\tau</math> нестабильных частиц зависит от вида взаимодействия, вызывающего их распадШаблон:Sfn. Наибольшие времена жизни имеют элементарные частицы, чей распад вызван слабым взаимодействием (нейтрон — <math>880</math> сек, мюон — <math>2,2\times10^{-6}</math> сек, заряженный пион — <math>2,6\times10^{-8}</math> сек, гиперон — <math>10^{-10} - 10^{-8}</math> сек, каон — <math>1,2\times10^{-8}</math> сек). Меньшие времена жизни имеют элементарные частицы, чей распад вызван электромагнитным взаимодействием (нейтральный пион — <math>8,2\times10^{-17}</math> сек, эта-мезон — <math>5,1\times10^{-19}</math> сек). Наименьшие времена жизни имеют резонансы — <math>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[7].

Для короткоживущих частиц (резонансов) вместо времени жизни используется ширина, обладающая размерностью энергии: <math>\Gamma = \frac{\hbar}{\tau}</math>. Это следует из соотношения неопределённостей между энергией и временем <math>\Delta E \Delta t \approx \hbar</math>. Например, масса нуклонной изобары <math>\Delta</math> равна 1236 Мэв, а её ширина — 120 Мэв (<math>\tau \approx 5 \times 10^{-24}</math> с), что составляет около 10 % от массы[8].

Вероятность распада <math>\omega</math> характеризует интенсивность распада нестабильных частиц и равна доле частиц некоторого ансамбля, распадающейся в единицу времени: <math>\omega = \frac{1}{\tau}</math>, где <math>\tau</math> — время жизни элементарной частицы[9].

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>\frac{1}{\tau} = \frac{1}{\tau_{1}} + \frac{1}{\tau_{2}} + ... + \frac{1}{\tau_{N}}</math>, где <math>N</math> — число способов распада, <math>\tau</math> — время жизни. Относительная вероятность распада по <math>i</math>-му способу равна: <math>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>\tau</math>[10].

Время жизни элементарной частицы <math>\tau</math> и её период полураспада <math>T_{1/2}</math> связаны соотношением: <math>T_{1/2}= \ln {2} \tau = 0,693 \tau</math>[11].

Время жизни достаточно долго живущих (до <math>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)[9].

Осцилляции элементарных частиц

Переходы из состояния одной частицы в состояние другой частицы без испускания других свободных частиц называются осцилляциями[12]. Примером осцилляции являются превращения нейтральных каонов из частицы в античастицу и обратно <math>K^{0} \leftrightarrows \widetilde{K^{0}}</math>[13].

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Шаблон:Классификации частиц

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 Тарасов Л. В. Мир, построенный на вероятности. — М., Просвещение, 1984. — Тираж 230000 экз. — с. 143
  2. ↑ 2,0 2,1 Пригожин И. От существующего к возникающему. Время и сложность в физических науках. — М., КомКнига, 2006. — C. 82-84
  3. ↑ Киттель Ч., Найт У., Рудерман М. Берклеевский курс физики. Т. 1. Механика. — М.: Наука, 1975. — С. 442.
  4. ↑ 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.
  5. ↑ Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. — М., Наука, 1990. — с. 548
  6. ↑ Мощанский В. Н. Формирование мировоззрения учащихся при изучении физики. — М.: Просвещение, 1976. — Тираж 80 000 экз. — С.68, 76
  7. ↑ Окунь Л. Б. Теорема CPT // Физика. Энциклопедия. — М., Большая Российская энциклопедия, 2003. — с. 744
  8. ↑ Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. — М., Просвещение, 1984. — С. 48-49
  9. ↑ 9,0 9,1 Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. — М., Наука, 1988. — ISBN 5-02-013824-X. — Тираж 17 700 экз. — С. 159
  10. ↑ Киттель Ч., Найт У., Рудерман М. Берклеевский курс физики. Т. 1. Механика. — М.: Наука, 1975. — С. 464.
  11. ↑ Сена Л. А. Единицы физических величин и их размерности. — М.: Наука, 1977. — С. 257.
  12. ↑ Хлопов М. Ю. Время жизни частиц // Физика космоса. Маленькая энциклопедия. — М., Советская энциклопедия, 1986. — Тираж 70000 экз. — с. 186
  13. ↑ Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. — М., Просвещение, 1984. — с. 296
Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Русская_Википедия:Стабильные_элементарные_частицы&oldid=10860248