Stabila elementarpartiklar

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 21 februari 2022; verifiering kräver 1 redigering .

Stabila elementarpartiklar är elementarpartiklar som har en oändligt lång livslängd i fritt tillstånd. Stabila elementarpartiklar är partiklar som har minimala massor för givna värden av alla bevarade laddningar ( elektriska , baryon , leptonladdningar ) ( proton , elektron , foton , neutrino , graviton och deras antipartiklar ) [1] . Det finns en hypotes om instabiliteten hos protonen och antiprotonen - protonens sönderfall .

Instabila elementarpartiklar

Alla andra elementarpartiklar är instabila, det vill säga de sönderfaller spontant till andra partiklar i ett fritt tillstånd. Det har experimentellt fastställts att sannolikheten för sönderfall av en instabil elementarpartikel inte beror på varaktigheten av dess existens och tidpunkten för dess observation. Det är omöjligt att förutsäga sönderfallsögonblicket för en given elementarpartikel. Det är möjligt att förutsäga endast medellivslängden för ett stort antal partiklar av samma typ [2] . Sannolikheten att partikeln kommer att sönderfalla inom nästa korta tidsperiod är lika med och beror endast på konstanten och beror inte på förhistorien. Detta faktum är en av bekräftelserna på principen om elementarpartiklars identitet [3] . Vi får en ekvation för antalet partiklars beroende av tiden: , . Lösningen av denna ekvation har formen [4] [2] : , där är antalet partiklar i det initiala ögonblicket [5] [3] . Således är livslängden för en instabil elementarpartikel en slumpvariabel med en exponentiell fördelningslag . $P$ $\delta t$ ${\frac {\delta t}{\tau ))$ $\tau$ $NP={\frac {N\delta t}{\tau }}=-\delta t{\frac {dN}{dt}}$ ${\frac {dN}{dt}}=-{\frac {N}{\tau }}$ $N(t)=N_{0}\exp(-t/\tau )$ $N_{0}$

Till exempel sönderfaller en neutron enligt schemat: , en laddad pi-meson sönderfaller till en myon och en neutrino : etc. ${\displaystyle n\rightarrow p+e^{-}+{\bar {\nu _{e))))$ $\pi ^{+}\högerpil \mu ^{+}+\nu _{\mu }$

Många elementarpartiklar sönderfaller på flera sätt. Till exempel sönderfaller en lambdahyperon med relativ sannolikhet till en proton och en negativ pi-meson , och med en sannolikhet till en neutron och en neutral pi-meson . $65\%$ $\Lambda \rightarrow p+\pi ^{-}$ $35\%$ ${\displaystyle \Lambda \rightarrow n+\pi ^{0))$

Alla spontana sönderfall av denna typ är exoterma processer (en del av den initiala viloenergin omvandlas till de bildade partiklarnas kinetiska energi) och kan endast ske under villkoret . Här är massan av den initiala partikeln, och är massorna av de resulterande partiklarna. Till exempel, under sönderfallet av en neutron är energifrisättningen: MeV [6] . ${\displaystyle a\to c_{1}+...+c_{n))$ $m_{a}\geqslant \sum _{i}^{n}m_{c_{i))$ ${\displaystyle m_{a))$ $m_{c_{i))$ $Q=\left[m_{n}-(m_{p}+m_{e})\right]c^{2}=0,78$

Fenomenet sönderfall av en elementarpartikel betyder inte att den består av partiklar som bildas efter dess sönderfall. En elementarpartikels sönderfall är inte en process för dess mekaniska uppdelning i delar, utan är en process där vissa partiklar försvinner och andras födelse, vilket indikerar komplexiteten hos elementarpartiklar, outtömligheten av deras egenskaper, det icke-mekaniska arten av deras beteende [7] .

Partiklars instabilitet är en av manifestationerna av partiklars interkonvertibilitetsegenskap, vilket är en konsekvens av deras interaktioner: stark, elektromagnetisk, svag, gravitation. Nedfallet av instabila elementarpartiklar uppstår som ett resultat av deras interaktion med nollsvängningar i fältet som är ansvarigt för deras förfall. Partikelinteraktioner orsakar omvandling av partiklar och deras aggregat till andra partiklar, om sådana omvandlingar inte är förbjudna enligt lagarna för bevarande av energi, rörelsemängd, rörelsemängd, elektrisk laddning, baryonladdning, etc.

Ur den dialektiska materialismens synvinkel är omvandlingen av elementarpartiklar till varandra en av formerna för materiens rörelse och indikerar komplexiteten hos deras egenskaper, materiens outtömlighet och bekräftar tesen om materiens oförstörbarhet och oförstörbarhet. och rörelse [7] .

Livstid för elementarpartiklar

En viktig egenskap hos elementarpartiklar, tillsammans med massa, spinn, elektrisk laddning, är deras livslängd. Livstid är en konstant i lagen om exponentiellt förfall: [2] . Till exempel livslängden för en neutronsekund , livslängden för en laddad pionsekund . Livslängden för instabila partiklar beror på vilken typ av interaktion som orsakar deras sönderfall [8] . De längsta livstiderna har elementarpartiklar, vars sönderfall orsakas av svag interaktion (neutron - sek, myon - sek, laddad pion - sek, hyperon - sek, kaon - sek). Elementarpartiklar vars sönderfall orsakas av elektromagnetisk interaktion (neutral pion- sek, eta meson- sek) har kortare livslängder . De minsta livstiderna har resonanser - sek. $\tau$ $N(t)=N_{0}\exp(-t/\tau )$ $\tau _{n}=880$ $\tau _{\pi ^{+}}=2,6033(5)\ gånger 10^{-8}$ $\tau$ $880$ ${\displaystyle 2.2\ gånger 10^{-6))$ ${\displaystyle 2.6\times 10^{-8))$ $10^{-10}-10^{-8}$ ${\displaystyle 1.2\ gånger 10^{-8))$ ${\displaystyle 8.2\ gånger 10^{-17))$ $5.1\times 10^{-19}$ $10^{-24}-10^{-22}$

Det följer av CPT-invariansen att livslängden för partiklar och antipartiklar är lika. Detta påstående har verifierats experimentellt med en noggrannhet som inte överstiger 10 -3 [9] .

För kortlivade partiklar (resonanser) används istället för livslängden bredden som har dimensionen energi: . Detta följer av osäkerhetsrelationen mellan energi och tid . Till exempel är massan av nukleonisobaren 1236 MeV, och dess bredd är 120 MeV ( s), vilket är cirka 10% av massan [10] . $\Gamma ={\frac {\hbar }{\tau }}$ $\Delta E\Delta t\approx \hbar$ $\Delta$ ${\displaystyle \tau \approx 5\times 10^{-24))$

Sannolikheten för sönderfall karakteriserar intensiteten av sönderfallet av instabila partiklar och är lika med andelen partiklar i en viss ensemble som sönderfaller per tidsenhet: , där är livslängden för en elementarpartikel [11] . $\omega$ $\omega ={\frac {1}{\tau }}$ $\tau$

Många elementarpartiklar har flera sätt att sönderfalla. I detta fall är den totala sannolikheten för partikelsönderfall under en viss tid lika med summan av sannolikheterna för sönderfall på olika sätt: , där är antalet sönderfallsmetoder, är livslängden. Den relativa sannolikheten för sönderfall med den th metoden är lika med: . Oavsett antalet typer av dess sönderfall har en elementarpartikel alltid bara en livstid [12] . ${\displaystyle {\frac {1}{\tau }}={\frac {1}{\tau _{1}}}+{\frac {1}{\tau _{2}}}+... +{\frac {1}{\tau _{N))))$ $N$ $\tau$ $i$ ${\displaystyle P_{i}={\frac {\frac {1}{\tau _{i))}{\frac {1}{\tau ))))$ $\tau$

Livslängden för en elementarpartikel och dess halveringstid är relaterad till förhållandet: [13] . $\tau$ $T_{{1/2}}$ $T_{1/2}=\ln {2}\tau =0.693\tau$

Livslängden för tillräckligt långlivade (upp till sek) elementarpartiklar mäts direkt, genom dess hastighet och den sträcka som den flyger före sönderfallet. För partiklar med mycket kort livslängd mäts livslängden genom att bestämma sönderfallssannolikheten från processtvärsnittets energiberoende ( Breit-Wigner formel ) [11] . $10^{-16}$

Oscillationer av elementarpartiklar

Övergångar från en partikels tillstånd till en annan partikels tillstånd utan att avge andra fria partiklar kallas för oscillationer [14] . Ett exempel på oscillation är omvandlingen av neutrala kaoner från en partikel till en antipartikel och vice versa [15] . ${\displaystyle K^{0}\leftrightarrows {\widetilde {K^{0))))$

Anteckningar

↑ Kärnfysik, 1971 , sid. 286.
↑ 1 2 3 Tarasov L. V. En värld byggd på sannolikhet. - M., Upplysning, 1984. - Upplaga 230 000 exemplar. - Med. 143
↑ 1 2 Prigogine I. Från existerande till framväxande. Tid och komplexitet inom de fysikaliska vetenskaperna. - M., KomKniga, 2006. - C. 82-84
↑ Kittel Ch., Knight W., Ruderman M. Berkeley Physics Course. T. 1. Mekanik. - M .: Nauka, 1975. - S. 442.
↑ Det finns teoretiska argument som talar för att lagen om exponentiellt förfall inte är helt korrekt, men avvikelserna från den är för små för att kunna mätas med moderna medel.
↑ Yavorsky B. M. , Detlaf A. A. Handbook of Physics. - M., Nauka, 1990. - sid. 548
↑ 1 2 Moshchansky V. N. Bildning av världsbilden för studenter i fysikstudier. - M .: Utbildning, 1976. - Upplaga 80 000 ex. — S.68, 76
↑ Kärnfysik, 1971 , sid. 269.
↑ Okun L. B. CPT-satsen // Fysik. Encyklopedi. - M., Great Russian Encyclopedia , 2003. - sid. 744
↑ Naumov A.I. Atomkärnans och elementarpartiklarnas fysik. - M., Upplysning, 1984. - S. 48-49
↑ 1 2 Okun L. B. Elementarpartiklars fysik. - M., Nauka, 1988. - ISBN 5-02-013824-X . - Upplaga 17 700 exemplar. - S. 159
↑ Kittel Ch., Knight W., Ruderman M. Berkeley Physics Course. T. 1. Mekanik. - M .: Nauka, 1975. - S. 464.
↑ Sena L. A. Enheter av fysiska storheter och deras dimensioner. — M.: Nauka , 1977. — S. 257.
↑ Khlopov M. Yu. Partikellivstid // Rymdfysik. Litet uppslagsverk. - M., Soviet Encyclopedia, 1986. - Upplaga 70 000 exemplar. - Med. 186
↑ Naumov A.I. Atomkärnans och elementarpartiklarnas fysik. - M., Utbildning, 1984. - sid. 296

Litteratur

Shirokov Yu. M. , Yudin N. P. Kärnfysik. — M .: Nauka, 1971. — 672 sid.

Partikelklassificeringar
Hastighet i förhållande till ljusets hastighet	Tardioner ( eller bradyoner) Luxons Hypotetisk: Takyoner överbradyons
Genom närvaron av inre struktur och separerbarhet	Elementarpartikel ( Fundamental partikel ) sammansatt partikel
Fermioner genom närvaron av en antipartikel	Dirac fermioner Fermions mejram
Bildas under radioaktivt sönderfall	α β γ δ ε n
Kandidater för rollen som mörk materia partiklar	MES Wimpzilla LSP NLSP
I universums inflationsmodell	Inflaton krökning
Genom närvaron av en elektrisk laddning	laddad partikel neutral partikel
I teorier om spontant symmetribrott	Goldstone boson Goldstone fermion ( eller goldstino)
Efter livstid	stabila partiklar Instabila partiklar
Andra klasser	virtuell partikel subatomär partikel antipartiklar Äkta neutrala partiklar Fria partiklar Identiska partiklar De och Kvasipartiklar Hypotetiska partiklar Resonanser