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). 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: $n\rightarrow p+e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}$, 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.

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 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 распад. 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: $\Gamma ={\frac {\hbar }{\tau }}$. 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.

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

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