Stabile elementarpartikler

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 21. februar 2022; verifikation kræver 1 redigering .

Stabile elementarpartikler er elementarpartikler, der har en uendelig lang levetid i fri tilstand. Stabile elementarpartikler er partikler, der har minimale masser for givne værdier af alle bevarede ladninger ( elektriske , baryon- , leptonladninger ) ( proton , elektron , foton , neutrino , graviton og deres antipartikler ) [1] . Der er en hypotese om protonens og antiprotonens ustabilitet - protonens henfald .

Ustabile elementarpartikler

Alle andre elementarpartikler er ustabile, det vil sige, at de spontant henfalder til andre partikler i en fri tilstand. Det er eksperimentelt blevet fastslået, at sandsynligheden for henfald af en ustabil elementarpartikel ikke afhænger af varigheden af dens eksistens og tidspunktet for dens observation. Det er umuligt at forudsige henfaldsmomentet for en given elementarpartikel. Det er muligt kun at forudsige den gennemsnitlige levetid for et stort antal partikler af samme type [2] . Sandsynligheden for, at partiklen vil henfalde inden for det næste korte tidsrum, er lig med og afhænger kun af konstanten og afhænger ikke af forhistorien. Dette faktum er en af bekræftelserne af princippet om identitet af elementarpartikler [3] . Vi får en ligning for antallet af partiklers afhængighed af tiden: , . Løsningen af denne ligning har formen [4] [2] : , hvor er antallet af partikler i det indledende øjeblik [5] [3] . Levetiden for en ustabil elementarpartikel er således en tilfældig variabel med en eksponentiel fordelingslov . $P$ $\delta t$ ${\frac {\delta t}{\tau ))$ $\tau$ $NP={\frac {N\delta t}{\tau }}=-\delta t{\frac {dN}{dt}}$ ${\frac {dN}{dt}}=-{\frac {N}{\tau }}$ $N(t)=N_{0}\exp(-t/\tau )$ $N_{0}$

For eksempel henfalder en neutron ifølge skemaet: , en ladet pi-meson henfalder til en myon og en neutrino : osv. ${\displaystyle n\rightarrow p+e^{-}+{\bar {\nu _{e))))$ $\pi ^{+}\højrepil \mu ^{+}+\nu _{\mu }$

Mange elementarpartikler henfalder på flere måder. For eksempel henfalder et lambda-hyperon med relativ sandsynlighed til en proton og en negativ pi-meson , og med en sandsynlighed til en neutron og en neutral pi-meson . $65\%$ $\Lambda \rightarrow p+\pi ^{-}$ $35\%$ $\Lambda \rightarrow n+\pi ^{0}$

Alle spontane henfald af typen er eksoterme processer (en del af den indledende hvileenergi omdannes til de dannede partiklers kinetiske energi) og kan kun forløbe under betingelsen . Her er massen af den oprindelige partikel, og er masserne af de resulterende partikler. For eksempel under henfaldet af en neutron er energifrigivelsen: MeV [6] . ${\displaystyle a\to c_{1}+...+c_{n))$ $m_{a}\geqslant \sum _{i}^{n}m_{c_{i))$ ${\displaystyle m_{a))$ $m_{c_{i))$ $Q=\left[m_{n}-(m_{p}+m_{e})\right]c^{2}=0,78$

Fænomenet henfald af en elementarpartikel betyder ikke, at den består af partikler dannet efter dens henfald. En elementarpartikels henfald er ikke en proces med dens mekaniske opdeling i dele, men er en proces med forsvinden af nogle partikler og fødslen af andre, hvilket indikerer kompleksiteten af elementarpartikler, uudtømmeligheden af deres egenskaber, det ikke-mekaniske arten af deres adfærd [7] .

Partiklernes ustabilitet er en af manifestationerne af partiklernes interkonvertibilitetsegenskab, som er en konsekvens af deres interaktioner: stærk, elektromagnetisk, svag, gravitationel. Nedbrydningen af ustabile elementarpartikler opstår som et resultat af deres interaktion med nul-oscillationer af det felt, der er ansvarligt for deres henfald. Partikelinteraktioner forårsager transformation af partikler og deres aggregater til andre partikler, hvis sådanne transformationer ikke er forbudt af lovene om bevarelse af energi, momentum, vinkelmomentum, elektrisk ladning, baryonladning osv.

Fra den dialektiske materialismes synspunkt er omdannelsen af elementarpartikler til hinanden en af formerne for bevægelse af stof og indikerer kompleksiteten af deres egenskaber, stoffets uudtømmelighed og bekræfter tesen om stoffets uforgængelighed og uforgængelighed. og bevægelse [7] .

Levetid for elementære partikler

En vigtig egenskab ved elementarpartikler, sammen med masse, spin, elektrisk ladning, er deres levetid. Levetid er en konstant i loven om eksponentielt henfald: [2] . For eksempel levetiden for en neutronsek ., levetiden for en ladet pionsek . Levetiden for ustabile partikler afhænger af den type interaktion, der forårsager deres henfald [8] . De længste levetider har elementære partikler, hvis henfald er forårsaget af svag interaktion (neutron - sek, myon - sek, ladet pion - sek, hyperon - sek, kaon - sek). Elementære partikler, hvis henfald er forårsaget af elektromagnetisk interaktion (neutral pion- sek, eta meson- sek) har kortere levetid . De mindste levetider har resonanser - sek. $\tau$ $N(t)=N_{0}\exp(-t/\tau )$ $\tau _{n}=880$ $\tau _{\pi ^{+}}=2,6033(5)\ gange 10^{-8}$ $\tau$ $880$ ${\displaystyle 2.2\ gange 10^{-6))$ ${\displaystyle 2.6\ gange 10^{-8))$ $10^{-10}-10^{-8}$ ${\displaystyle 1.2\ gange 10^{-8))$ ${\displaystyle 8.2\ gange 10^{-17))$ $5.1\ gange 10^{-19}$ $10^{-24}-10^{-22}$

Det følger af CPT-invariansen , at levetiden for partikler og antipartikler er ens. Denne erklæring er blevet eksperimentelt verificeret med en nøjagtighed på ikke over 10 -3 [9] .

Ved kortlivede partikler (resonanser) anvendes i stedet for levetiden bredden, som har dimensionen energi :. Dette følger af usikkerhedsforholdet mellem energi og tid . For eksempel er massen af nukleonisobaren 1236 MeV, og dens bredde er 120 MeV( s), hvilket er omkring 10 % af massen [10] . $\Gamma ={\frac {\hbar }{\tau }}$ $\Delta E\Delta t\approx \hbar$ $\Delta$ ${\displaystyle \tau \ca. 5\ gange 10^{-24))$

Henfaldssandsynligheden karakteriserer intensiteten af henfaldet af ustabile partikler og er lig med fraktionen af partikler af et bestemt ensemble, der henfalder pr. tidsenhed: , hvor er levetiden for en elementær partikel [11] . $\omega$ $\omega ={\frac {1}{\tau }}$ $\tau$

Mange elementarpartikler har flere måder at henfalde på. I dette tilfælde er den samlede sandsynlighed for partikelhenfald i nogen tid lig med summen af sandsynligheden for henfald på forskellige måder: , hvor er antallet af henfaldsmetoder, er levetiden. Den relative sandsynlighed for henfald ved den th metode er lig med :. Uanset antallet af typer af dens henfald, har en elementarpartikel altid kun én levetid [12] . ${\displaystyle {\frac {1}{\tau }}={\frac {1}{\tau _{1}}}+{\frac {1}{\tau _{2}}}+... +{\frac {1}{\tau _{N))))$ $N$ $\tau$ $jeg$ ${\displaystyle P_{i}={\frac {\frac {1}{\tau _{i))}{\frac {1}{\tau ))))$ $\tau$

En elementarpartikels levetid og dens halveringstid er relateret til forholdet: [13] . $\tau$ $T_{{1/2}}$ $T_{1/2}=\ln {2}\tau =0.693\tau$

Levetiden for tilstrækkeligt langlivede (op til sek.) elementarpartikler måles direkte ved dens hastighed og den afstand, den flyver før henfald. For partikler med meget kort levetid måles levetiden ved at bestemme henfaldssandsynligheden ud fra procestværsnittets energiafhængighed ( Breit-Wigner formel ) [11] . $10^{-16}$

Oscillationer af elementarpartikler

Overgange fra tilstanden af en partikel til tilstanden af en anden partikel uden at udsende andre frie partikler kaldes oscillationer [14] . Et eksempel på oscillation er omdannelsen af neutrale kaoner fra en partikel til en antipartikel og omvendt [15] . ${\displaystyle K^{0}\leftrightarrows {\widetilde {K^{0))))$

Noter

↑ Nuclear Physics, 1971 , s. 286.
↑ 1 2 3 Tarasov L. V. En verden bygget på sandsynlighed. - M., Oplysning, 1984. - Oplag 230.000 eksemplarer. - Med. 143
↑ 1 2 Prigogine I. Fra eksisterende til kommende. Tid og kompleksitet i de fysiske videnskaber. - M., KomKniga, 2006. - C. 82-84
↑ Kittel Ch., Knight W., Ruderman M. Berkeley Physics Course. T. 1. Mekanik. - M .: Nauka, 1975. - S. 442.
↑ Der er teoretiske argumenter for, at loven om eksponentielt henfald ikke er helt præcis, men afvigelserne fra den er for små til at kunne måles med moderne midler.
↑ Yavorsky B. M. , Detlaf A. A. Handbook of Physics. - M., Nauka, 1990. - s. 548
↑ 1 2 Moshchansky V. N. Dannelse af verdensbilledet for studerende i fysikstudiet. - M .: Uddannelse, 1976. - Oplag 80.000 eksemplarer. — S.68, 76
↑ Nuclear Physics, 1971 , s. 269.
↑ Okun L. B. CPT-sætningen // Fysik. Encyklopædi. - M., Great Russian Encyclopedia , 2003. - s. 744
↑ Naumov A.I. Atomkernens og elementarpartiklernes fysik. - M., Oplysning, 1984. - S. 48-49
↑ 1 2 Okun L. B. Elementarpartiklers fysik. - M., Nauka, 1988. - ISBN 5-02-013824-X . - Oplag 17.700 eksemplarer. - S. 159
↑ Kittel Ch., Knight W., Ruderman M. Berkeley Physics Course. T. 1. Mekanik. - M .: Nauka, 1975. - S. 464.
↑ Sena L. A. Enheder af fysiske størrelser og deres dimensioner. — M.: Nauka , 1977. — S. 257.
↑ Khlopov M. Yu. Partikellevetid // Rumfysik. Lille encyklopædi. - M., Soviet Encyclopedia, 1986. - Oplag 70.000 eksemplarer. - Med. 186
↑ Naumov A.I. Atomkernens og elementarpartiklernes fysik. - M., Uddannelse, 1984. - s. 296

Litteratur

Shirokov Yu. M. , Yudin N. P. Kernefysik. — M .: Nauka, 1971. — 672 s.

Partikelklassifikationer
Hastighed i forhold til lysets hastighed	Tardions ( eller bradyoner) Luxons Hypotetisk: Tachyoner overbradyoner
Ved tilstedeværelsen af intern struktur og adskillelighed	Elementær partikel ( fundamental partikel ) sammensat partikel
Fermioner ved tilstedeværelsen af en antipartikel	Dirac fermioner Fermions merian
Dannes under radioaktivt henfald	α β γ δ ε n
Kandidater til rollen som mørkt stof partikler	WIMP Wimpzilla LSP NLSP
I den inflationære model af universet	Inflaton krumning
Ved tilstedeværelsen af en elektrisk ladning	ladet partikel neutral partikel
I teorier om spontan symmetribrud	Goldstone boson Goldstone fermion ( eller goldstino)
Efter levetid	stabile partikler Ustabile partikler
Andre klasser	virtuel partikel subatomare partikel antipartikler Ægte neutrale partikler Frie partikler Identiske partikler De og Kvasipartikler Hypotetiske partikler Resonanser