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 того, что частица распадется в течение ближайшего короткого промежутка времени равна и зависит лишь от постоянной и не зависит от предыстории. Этот факт является одним из подтверждений принципа тождественности элементарных частиц[3]. Получаем уравнение для зависимости числа частиц от времени: , . Решение этого уравнения имеет вид[4][2]: , где - 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: , заряженный пи-мезон распадается на мюон и нейтрино: и т.д.
Многие элементарные частицы распадаются несколькими способами. Например, лямбда-гиперон c относительной вероятностью распадается на протон и отрицательный пи-мезон и с вероятностью - на нейтрон и нейтральный пи-мезон .
Все самопроизвольные распады типа являются экзотермическими процессами (часть начальной энергии покоя превращается в кинетическую энергию образовавшихся частиц) и могут протекать только при условии . Здесь - масса исходной частицы, - массы образовавшихся частиц. Например, при распаде нейтрона энерговыделение составляет: 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 в законе экспоненциального распада: [2]. Например, время жизни нейтрона сек, время жизни заряженного пи-мезона сек. Время жизни нестабильных частиц зависит от вида взаимодействия, вызывающего их распад[8]. Наибольшие времена жизни имеют элементарные частицы, чей распад вызван слабым взаимодействием (нейтрон - сек, мюон - сек, заряженный пион - сек, гиперон - сек, каон - сек). Меньшие времена жизни имеют элементарные частицы, чей распад вызван электромагнитным взаимодействием (нейтральный пион - сек, эта-мезон - сек). Наименьшие времена жизни имеют резонансы - 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: . Это следует из соотношения неопределённостей между энергией и временем . Например, масса нуклонной изобары равна 1236 Мэв, а её ширина - 120 Мэв ( с), что составляет около 10% от массы[10].
Вероятность распада характеризует интенсивность распада нестабильных частиц и равна доле частиц некоторого ансамбля, распадающейся в единицу времени: , где - 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: , где - число способов распада, - время жизни. Относительная вероятность распада по -му способу равна: . Независимо от числа типов её распада, элементарная частица всегда имеет только одно время жизни [12].
Время жизни элементарной частицы и её период полураспада связаны соотношением: [13].
Время жизни достаточно долго живущих (до 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 [15].
Примечания
- Ядерная физика, 1971, с. 286.
- Тарасов Л. В. Мир, построенный на вероятности. - М., Просвещение, 1984. - Тираж 230000 экз. - с. 143
- 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
- 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.