Particule elementare stabile

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 21 februarie 2022; verificarea necesită 1 editare .

Particulele elementare stabile sunt particule elementare care au o durată de viață infinit de lungă în stare liberă. Particulele elementare stabile sunt particule care au mase minime pentru valori date ale tuturor sarcinilor conservate ( sarcină electrică , barionică , leptonică ) ( protoni , electroni , fotoni , neutrini , graviton și antiparticulele acestora ) [1] . Există o ipoteză despre instabilitatea protonului și antiprotonului - dezintegrarea protonului .

Particule elementare instabile

Toate celelalte particule elementare sunt instabile, adică se descompun spontan în alte particule în stare liberă. S-a stabilit experimental că probabilitatea dezintegrarii unei particule elementare instabile nu depinde de durata existenței sale și de timpul observării sale. Este imposibil de prezis momentul de dezintegrare a unei anumite particule elementare. Este posibil să se prezică doar durata medie de viață a unui număr mare de particule de același tip [2] . Probabilitatea ca particula să se descompună în următoarea perioadă scurtă de timp este egală cu și depinde numai de constantă și nu depinde de preistorie. Acest fapt este una dintre confirmările principiului identității particulelor elementare [3] . Obținem o ecuație pentru dependența numărului de particule de timp: , . Soluția acestei ecuații are forma [4] [2] : , unde este numărul de particule în momentul inițial [5] [3] . Astfel, durata de viață a unei particule elementare instabile este o variabilă aleatorie cu o lege de distribuție exponențială . $P$ $\delta t$ ${\frac {\delta t}{\tau ))$ $\tau$ $NP={\frac {N\delta t}{\tau }}=-\delta t{\frac {dN}{dt}}$ ${\frac {dN}{dt}}=-{\frac {N}{\tau }}$ $N(t)=N_{0}\exp(-t/\tau )$ $N_{0}$

De exemplu, un neutron se descompune conform schemei: , un pi-mezon încărcat se descompune într-un muon și un neutrin : etc. $n\rightarrow p+e^{-}+{\bar {\nu _{e)}}$ $\pi ^{+}\rightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }$

Multe particule elementare se descompun în mai multe moduri. De exemplu, un hiperon lambda se descompune cu probabilitate relativă într-un proton și un pi-mezon negativ și cu o probabilitate într-un neutron și un pi-mezon neutru . $65\%$ $\Lambda \rightarrow p+\pi ^{-}$ $35\%$ $\Lambda \rightarrow n+\pi ^{0)$

Toate dezintegrarile spontane de tip sunt procese exoterme (o parte din energia inițială de repaus este convertită în energia cinetică a particulelor formate) și pot avea loc numai în condiția . Aici , este masa particulei inițiale și sunt masele particulelor rezultate. De exemplu, în timpul dezintegrarii unui neutron, eliberarea de energie este: MeV [6] . $a\to c_{1}+...+c_{n)$ $m_{a}\geqslant \sum _{i}^{n}m_{c_{i)}$ $m_{a)$ $m_{c_{i)}$ $Q=\left[m_{n}-(m_{p}+m_{e})\right]c^{2}=0,78$

Fenomenul de dezintegrare a unei particule elementare nu înseamnă că aceasta constă din particule formate după dezintegrarea acesteia. Dezintegrarea unei particule elementare nu este un proces de împărțire mecanică a acesteia în părți, ci este un proces de dispariție a unor particule și nașterea altora, indicând complexitatea particulelor elementare, inepuizabilitatea proprietăților lor, caracterul nemecanic. natura comportamentului lor [7] .

Instabilitatea particulelor este una dintre manifestările proprietății de interconvertibilitate a particulelor, care este o consecință a interacțiunilor lor: puternice, electromagnetice, slabe, gravitaționale. Dezintegrarea particulelor elementare instabile are loc ca urmare a interacțiunii lor cu oscilațiile zero ale câmpului care este responsabil pentru dezintegrarea lor. Interacțiunile particulelor determină transformarea particulelor și a agregatelor lor în alte particule, dacă astfel de transformări nu sunt interzise de legile conservării energiei, momentului, momentului unghiular, sarcină electrică, sarcină barionică etc.

Din punctul de vedere al materialismului dialectic , transformarea particulelor elementare unele în altele este una dintre formele mișcării materiei și indică complexitatea proprietăților lor, inepuizabilitatea materiei și confirmă teza indestructibilității și indestructibilității materiei. și mișcare [7] .

Durata de viață a particulelor elementare

O caracteristică importantă a particulelor elementare, împreună cu masa, spinul, sarcina electrică, este durata lor de viață. Durata de viață este o constantă în legea dezintegrarii exponențiale: [2] . De exemplu, durata de viață a unui neutron sec, durata de viață a unui pion încărcat sec. Durata de viață a particulelor instabile depinde de tipul de interacțiune care provoacă degradarea lor [8] . Cele mai lungi durate de viață au particule elementare, a căror descompunere este cauzată de interacțiunea slabă (neutron - sec, muon - sec, pion încărcat - sec, hiperon - sec, kaon - sec). Particulele elementare a căror degradare este cauzată de interacțiunea electromagnetică (pion neutru - sec, eta mezon - sec) au durate de viață mai scurte . Cele mai mici durate de viață au rezonanțe - sec. $\tau$ $N(t)=N_{0}\exp(-t/\tau )$ $\tau _{n}=880$ $\tau _{\pi ^{+}}=2,6033(5)\times 10^{-8}$ $\tau$ $880$ $2,2\times 10^{-6)$ $2,6\times 10^{-8)$ $10^{-10}-10^{-8}$ $1,2\times 10^{-8)$ $8,2\times 10^{-17)$ $5,1\times 10^{-19}$ $10^{-24}-10^{-22}$

Din invarianța CPT rezultă că durata de viață a particulelor și a antiparticulelor este egală. Această afirmație a fost verificată experimental cu o acuratețe care nu depășește 10 -3 [9] .

Pentru particulele de scurtă durată (rezonanțe), în locul duratei de viață se folosește lățimea, care are dimensiunea energiei: . Aceasta rezultă din relația de incertitudine dintre energie și timp . De exemplu, masa nucleonului izobar este de 1236 MeV, iar lățimea sa este de 120 MeV ( s), ceea ce reprezintă aproximativ 10% din masă [10] . $\Gamma ={\frac {\hbar }{\tau }}$ $\Delta E\Delta t\aprox \hbar$ $\Delta$ $\tau \aprox 5\times 10^{-24)$

Probabilitatea de dezintegrare caracterizează intensitatea dezintegrarii particulelor instabile și este egală cu fracția de particule dintr-un anumit ansamblu care se descompun pe unitatea de timp: , unde este durata de viață a unei particule elementare [11] . $\omega$ $\omega ={\frac {1}{\tau }}$ $\tau$

Multe particule elementare au mai multe moduri de degradare. În acest caz, probabilitatea totală de dezintegrare a particulelor într-un anumit timp este egală cu suma probabilităților de dezintegrare în diferite moduri: , unde este numărul de metode de dezintegrare, este durata de viață. Probabilitatea relativă de dezintegrare prin metoda-a este egală cu: . Indiferent de numărul de tipuri de dezintegrare, o particulă elementară are întotdeauna o singură viață [12] . ${\displaystyle {\frac {1}{\tau }}={\frac {1}{\tau _{1}}}+{\frac {1}{\tau _{2}}}+... +{\frac {1}{\tau _{N))))$ $N$ $\tau$ $i$ $P_{i}={\frac {\frac {1}{\tau _{i)}}{\frac {1}{\tau )))$ $\tau$

Durata de viață a unei particule elementare și timpul de înjumătățire al acesteia sunt legate de raportul: [13] . $\tau$ $T_{{1/2}}$ $T_{1/2}=\ln {2}\tau =0,693\tau$

Durata de viață a particulelor elementare suficient de lungi (până la secunde) este măsurată direct, prin viteza și distanța pe care o parcurg înainte de descompunere. Pentru particulele cu durate de viață foarte scurte, durata de viață este măsurată prin determinarea probabilității de dezintegrare din dependența energetică a secțiunii transversale a procesului ( formula Breit-Wigner ) [11] . $10^{-16}$

Oscilații ale particulelor elementare

Tranzițiile de la starea unei particule la starea altei particule fără a emite alte particule libere se numesc oscilații [14] . Un exemplu de oscilație este transformarea kaonilor neutri dintr-o particulă într-o antiparticulă și invers [15] . $K^{0}\leftrightarrows {\widetilde {K^{0}}}$

Note

↑ Fizica nucleară, 1971 , p. 286.
↑ 1 2 3 Tarasov L. V. O lume construită pe probabilitate. - M., Iluminismul, 1984. - Tiraj 230.000 exemplare. - Cu. 143
↑ 1 2 Prigogine I. De la existent la emergent. Timpul și complexitatea în științele fizice. - M., KomKniga, 2006. - C. 82-84
↑ Kittel Ch., Knight W., Ruderman M. Berkeley Physics Course. T. 1. Mecanica. - M .: Nauka, 1975. - S. 442.
↑ Există argumente teoretice în favoarea faptului că legea decăderii exponențiale nu este tocmai exactă, dar abaterile de la ea sunt prea mici pentru a fi măsurate prin mijloace moderne.
↑ Yavorsky B. M. , Detlaf A. A. Handbook of Physics. - M., Nauka, 1990. - p. 548
↑ 1 2 Moshchansky V. N. Formarea viziunii despre lume a studenților în studiul fizicii. - M .: Educaţie, 1976. - Tiraj 80.000 exemplare. — P.68, 76
↑ Fizica nucleară, 1971 , p. 269.
↑ Okun L. B. Teorema CPT // Fizica. Enciclopedie. - M., Marea Enciclopedie Rusă , 2003. - p. 744
↑ Naumov A.I. Fizica nucleului atomic și a particulelor elementare. - M., Iluminismul, 1984. - S. 48-49
↑ 1 2 Okun L. B. Fizica particulelor elementare. - M., Nauka, 1988. - ISBN 5-02-013824-X . - Tiraj 17.700 exemplare. - S. 159
↑ Kittel Ch., Knight W., Ruderman M. Berkeley Physics Course. T. 1. Mecanica. - M .: Nauka, 1975. - S. 464.
↑ Sena L. A. Unități de mărimi fizice și dimensiunile acestora. — M.: Nauka , 1977. — S. 257.
↑ Khlopov M. Yu. Durata de viață a particulelor // Fizica spațială. Mica enciclopedie. - M., Enciclopedia Sovietică, 1986. - Tiraj 70.000 de exemplare. - Cu. 186
↑ Naumov A.I. Fizica nucleului atomic și a particulelor elementare. - M., Educaţie, 1984. - p. 296

Literatură

Shirokov Yu. M. , Yudin N. P. Fizica nucleară. — M .: Nauka, 1971. — 672 p.

Clasificarea particulelor
Viteza raportată la viteza luminii	Tardioane ( sau bradioane) Luxoni Ipotetic: tahioni overbradions
Prin prezența structurii interne și a separabilității	Particulă elementară ( Particulă fundamentală ) particulă compusă
Fermiuni prin prezența unei antiparticule	fermioni de Dirac Fermions Maghiran
Formată în timpul dezintegrarii radioactive	α β γ δ ε n
Candidați pentru rolul particulelor de materie întunecată	WIMP Wimpzilla LSP NLSP
În modelul inflaţionist al universului	Inflaton curbare
Prin prezența unei sarcini electrice	particulă încărcată particulă neutră
În teoriile ruperii spontane de simetrie	bosonul Goldstone Goldstone fermion ( sau goldstino)
Pe timpul vieții	particule stabile Particule instabile
Alte clase	particulă virtuală particulă subatomică antiparticule Adevărate particule neutre Particule libere Particule identice Ei și Cvasiparticule Particule ipotetice Rezonanțe