Stabilní elementární částice

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 21. února 2022; ověření vyžaduje 1 úpravu .

Stabilní elementární částice jsou elementární částice , které mají ve volném stavu nekonečně dlouhou životnost. Stabilní elementární částice jsou částice, které mají minimální hmotnosti pro dané hodnoty všech zachovaných nábojů ( elektrický , baryonový , leptonový náboj) ( proton , elektron , foton , neutrino , graviton a jejich antičástice ) [1] . Existuje hypotéza o nestabilitě protonu a antiprotonu - rozpadu protonu .

Nestabilní elementární částice

Všechny ostatní elementární částice jsou nestabilní, to znamená, že se samovolně rozpadají na jiné částice ve volném stavu. Experimentálně bylo zjištěno, že pravděpodobnost rozpadu nestabilní elementární částice nezávisí na délce její existence a době jejího pozorování. Není možné předpovědět okamžik rozpadu dané elementární částice. Je možné předpovědět pouze průměrnou dobu života velkého počtu částic stejného typu [2] . Pravděpodobnost , že se částice během příštího krátkého časového úseku rozpadne, je rovna a závisí pouze na konstantě a nezávisí na prehistorii. Tato skutečnost je jedním z potvrzení principu identity elementárních částic [3] . Získáme rovnici pro závislost počtu částic na čase: , . Řešení této rovnice má tvar [4] [2] : , kde je počet částic v počátečním okamžiku [5] [3] . Doba života nestabilní elementární částice je tedy náhodná veličina se zákonem exponenciálního rozdělení . $P$ $\delta t$ ${\frac {\delta t}{\tau ))$ $\tau$ $NP={\frac {N\delta t}{\tau }}=-\delta t{\frac {dN}{dt}}$ ${\frac {dN}{dt}}=-{\frac {N}{\tau }}$ $N(t)=N_{0}\exp(-t/\tau )$ $N_{0}$

Například neutron se rozpadá podle schématu: , nabitý pí-mezon se rozpadá na mion a neutrino : atd. ${\displaystyle n\rightarrow p+e^{-}+{\bar {\nu _{e))))$ $\pi ^{+}\rightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }$

Mnoho elementárních částic se rozpadá několika způsoby. Například hyperon lambda se rozpadá s relativní pravděpodobností na proton a záporný pí-mezon as pravděpodobností na neutron a neutrální pí-mezon . $65\%$ $\Lambda \rightarrow p+\pi ^{-}$ $35\%$ ${\displaystyle \Lambda \rightarrow n+\pi ^{0))$

Všechny samovolné rozpady tohoto typu jsou exotermické procesy (část počáteční klidové energie se přemění na kinetickou energii vzniklých částic) a mohou probíhat pouze za podmínky . Zde je hmotnost počáteční částice a jsou hmotnosti výsledných částic. Například při rozpadu neutronu je uvolnění energie: MeV [6] . ${\displaystyle a\to c_{1}+...+c_{n))$ $m_{a}\geqslant \sum _{i}^{n}m_{c_{i))$ ${\displaystyle m_{a))$ $m_{c_{i))$ $Q=\left[m_{n}-(m_{p}+m_{e})\right]c^{2}=0,78$

Fenomén rozpadu elementární částice neznamená, že se skládá z částic vzniklých po jejím rozpadu. Rozpad elementární částice není procesem jejího mechanického dělení na části, ale je procesem zániku některých částic a zrození jiných, což naznačuje složitost elementárních částic, nevyčerpatelnost jejich vlastností, nemechanickou povaha jejich chování [7] .

Nestabilita částic je jedním z projevů interkonvertibilní vlastnosti částic, která je důsledkem jejich interakcí: silné, elektromagnetické, slabé, gravitační. K rozpadu nestabilních elementárních částic dochází v důsledku jejich interakce s nulovými oscilacemi pole, které je zodpovědné za jejich rozpad. Interakce částic způsobují přeměnu částic a jejich agregátů na jiné částice, pokud takové přeměny nezakazují zákony zachování energie, hybnosti, momentu hybnosti, elektrického náboje, baryonového náboje atd.

Z hlediska dialektického materialismu je přeměna elementárních částic jedna v druhou jednou z forem pohybu hmoty a naznačuje složitost jejich vlastností, nevyčerpatelnost hmoty a potvrzuje tezi o nezničitelnosti a nezničitelnosti hmoty. a pohyb [7] .

Životnost elementárních částic

Důležitou vlastností elementárních částic, spolu s hmotností, spinem, elektrickým nábojem, je jejich životnost. Životnost je konstanta v zákoně exponenciálního rozpadu: [2] . Například životnost neutronu sec, životnost nabitého pionu sec. Životnost nestabilních částic závisí na typu interakce, která způsobuje jejich rozpad [8] . Nejdelší životnost mají elementární částice, jejichž rozpad je způsoben slabou interakcí (neutron - sec, mion - sec, nabitý pion - sec, hyperon - sec, kaon - sec). Elementární částice, jejichž rozpad je způsoben elektromagnetickou interakcí (neutrální pion- sec, eta mezon- sec) , mají kratší životnost . Nejmenší životnosti mají rezonance - sec. $\tau$ $N(t)=N_{0}\exp(-t/\tau )$ $\tau _{n}=880$ $\tau _{\pi ^{+}}=2,6033(5)\times 10^{-8}$ $\tau$ $880$ ${\displaystyle 2.2\krát 10^{-6))$ ${\displaystyle 2.6\krát 10^{-8))$ $10^{-10}-10^{-8}$ ${\displaystyle 1.2\krát 10^{-8))$ ${\displaystyle 8.2\krát 10^{-17))$ $5.1\times 10^{-19}$ $10^{-24}-10^{-22}$

Z invariance CPT vyplývá, že životnost částic a antičástic je stejná. Toto tvrzení bylo experimentálně ověřeno s přesností nepřesahující 10 -3 [9] .

Pro částice s krátkou životností (rezonance) se místo životnosti používá šířka, která má rozměr energie: . To vyplývá ze vztahu nejistoty mezi energií a časem . Například hmotnost izobary nukleonu je 1236 MeV a její šířka je 120 MeV ( s), což je asi 10 % hmotnosti [10] . $\Gamma ={\frac {\hbar }{\tau }}$ $\Delta E\Delta t\přibližně \hbar$ $\Delta$ ${\displaystyle \tau \cca 5\krát 10^{-24))$

Pravděpodobnost rozpadu charakterizuje intenzitu rozpadu nestabilních částic a je rovna podílu rozpadů částic určitého souboru za jednotku času: , kde je doba života elementární částice [11] . $\omega$ $\omega ={\frac {1}{\tau }}$ $\tau$

Mnoho elementárních částic má několik způsobů rozpadu. V tomto případě je celková pravděpodobnost rozpadu částice v určitém čase rovna součtu pravděpodobností rozpadu různými způsoby: , kde je počet metod rozpadu, je doba života. Relativní pravděpodobnost rozpadu podle th metody je rovna: . Bez ohledu na počet typů svého rozpadu má elementární částice vždy pouze jeden život [12] . ${\displaystyle {\frac {1}{\tau }}={\frac {1}{\tau _{1}}}+{\frac {1}{\tau _{2}}}+... +{\frac {1}{\tau _{N))))$ $N$ $\tau$ $i$ ${\displaystyle P_{i}={\frac {\frac {1}{\tau _{i))}{\frac {1}{\tau ))))$ $\tau$

Doba života elementární částice a její poločas jsou ve vztahu k poměru: [13] . $\tau$ $T_{{1/}}$ $T_{1/2}=\ln {2}\tau =0,693\tau$

Životnost dostatečně dlouhých (až sekund) elementárních částic se měří přímo jejich rychlostí a vzdáleností, kterou uletí před rozpadem. U částic s velmi krátkou životností se životnost měří určením pravděpodobnosti rozpadu z energetické závislosti průřezu procesu ( Breit-Wignerův vzorec ) [11] . $10^{-16}$

Oscilace elementárních částic

Přechody ze stavu jedné částice do stavu jiné částice bez emitování dalších volných částic se nazývají oscilace [14] . Příkladem oscilace je přeměna neutrálních kaonů z částice na antičástici a naopak [15] . ${\displaystyle K^{0}\leftrightarrows {\widetilde {K^{0))))$

Poznámky

↑ Jaderná fyzika, 1971 , str. 286.
↑ 1 2 3 Tarasov L. V. Svět postavený na pravděpodobnosti. - M., Osvícení, 1984. - Náklad 230 000 výtisků. - S. 143
↑ 1 2 Prigogine I. Od existujícího ke vznikajícímu. Čas a složitost ve fyzikálních vědách. - M., KomKniga, 2006. - C. 82-84
↑ Kittel Ch., Knight W., Ruderman M. Berkeley Physics Course. T. 1. Mechanika. - M.: Nauka, 1975. - S. 442.
↑ Existují teoretické argumenty ve prospěch skutečnosti, že zákon exponenciálního rozpadu není zcela přesný, ale odchylky od něj jsou příliš malé na to, aby je bylo možné měřit moderními prostředky.
↑ Yavorsky B. M. , Detlaf A. A. Handbook of Physics. - M., Nauka, 1990. - str. 548
↑ 1 2 Moshchansky V. N. Formování světonázoru studentů při studiu fyziky. - M .: Education, 1976. - Náklad 80 000 výtisků. — S.68, 76
↑ Jaderná fyzika, 1971 , str. 269.
↑ Okun L. B. Věta CPT // Fyzika. Encyklopedie. - M., Velká ruská encyklopedie , 2003. - s. 744
↑ Naumov A.I. Fyzika atomového jádra a elementárních částic. - M., Osvícení, 1984. - S. 48-49
↑ 1 2 Okun L. B. Fyzika elementárních částic. - M., Nauka, 1988. - ISBN 5-02-013824-X . - Náklad 17 700 výtisků. - S. 159
↑ Kittel Ch., Knight W., Ruderman M. Berkeley Physics Course. T. 1. Mechanika. - M.: Nauka, 1975. - S. 464.
↑ Sena L. A. Jednotky fyzikálních veličin a jejich rozměry. — M.: Nauka , 1977. — S. 257.
↑ Khlopov M. Yu. Životnost částic // Vesmírná fyzika. Malá encyklopedie. - M., Sovětská encyklopedie, 1986. - Náklad 70 000 výtisků. - S. 186
↑ Naumov A.I. Fyzika atomového jádra a elementárních částic. - M., Vzdělávání, 1984. - str. 296

Literatura

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

Klasifikace částic
Rychlost vzhledem k rychlosti světla	Tardioni ( nebo bradyoni) Luxony Hypotetické: Tachyony nadměrné bradyony
Přítomností vnitřní struktury a oddělitelnosti	elementární částice ( fundamentální částice ) složená částice
Fermiony přítomností antičástice	Diracovy fermiony Majoránka fermionská
Vzniká při radioaktivním rozpadu	α β γ 5 ε n
Kandidáti na roli částic temné hmoty	WIMP Wimpzilla LSP NLSP
V inflačním modelu vesmíru	Inflaton zakřivení
Přítomností elektrického náboje	nabitá částice neutrální částice
V teoriích spontánního porušení symetrie	Goldstone boson Goldstone fermion ( nebo goldstino)
Podle doby života	stabilní částice Nestabilní částice
Jiné třídy	virtuální částice subatomární částice antičástice Skutečné neutrální částice Volné částice Identické částice Oni a Kvazičástice Hypotetické částice Rezonance