Распад частицы — в физике элементарных частиц самопроизвольный процесс превращения одной нестабильной субатомной частицы в несколько других частиц. При этом выполняются законы сохранения энергии и импульса.’’Ландау Л. Д., Лившиц Е. М.’’ Механика. Электродинамика. — М., Наука, 1969. — c. 153-154 Из закона сохранения энергии в системе покоя исходной частицы следует, что сумма масс частиц, возникающих в этом процессе, должна быть меньше массы исходной частицы. Частица считается нестабильной, если существует хотя бы один разрешенный законами сохранения способ распада. У нестабильных частиц часто бывает несколько возможных каналов распада, каждый из которых характеризуется определенной вероятностью (коэффициентом ветвления). Распады объясняются действием одного или нескольких фундаментальных взаимодействий. Частицы, образующиеся в результате распада, сами могут быть нестабильными и подвергаться дальнейшему распаду. Этот термин обычно отличают от радиоактивного распада — процесса, при котором нестабильное атомное ядро превращается в более легкое ядро с испусканием частиц или излучения, — хотя эти явления концептуально схожи и часто описываются с использованием одной и той же терминологии. Вероятность выживания и время жизни частицы Распад частицы представляет собой пуассоновский процесс, поэтому вероятность того, что частица не распадется в течение времени (функция выживаемости), описывается экспоненциальным распределением, постоянная времени которого зависит от скорости частицы:
где — это среднее время жизни частицы (в состоянии покоя), и — Лоренц-фактор частицы. Таблица времён жизни некоторых элементарных и составных частиц Все данные позаимствованы из Particle Data Group. ТипИмяСимволМасса (MeV)Среднее время жизни ЛептонЭлектрон / Позитрон0.511> x летМюон Антимюон105.7 x секундТау-лептон / Антитаулептон1777 x секунд МезонНейтральный пион135 x секундЗаряженный пион139.6 x секунд БарионПротон / Антипротон938.2 x летНейтрон / Антинейтрон939.6885.7 секунд БозонW бозон80400 секундZ бозон91000 секунд
Скорость распада В этом разделе используется рациональная система единиц, где Время жизни частицы определяется величиной, обратной скорости её распада — вероятности распада частицы в единицу времени. Для частицы с массой и четырёхимпульсом , распадающейся на частицы с импульсами , дифференциальная скорость распада задаётся общей формулой (выражающей золотое правило Ферми): А.В. Смилга Квантовая теория поля на обед. — , МЦНМО, 2020. — ISBN: 978-5-4439-4124-0. — с. 198
где — число частиц, образовавшихся в результате распада исходной частицы, — комбинаторный множитель, учитывающий неразличимые конечные состояния (см. ниже), — «инвариантный матричный элемент» или амплитуда, связывающая начальное состояние с конечным (обычно вычисляемая с помощью диаграмм Фейнмана)), является элементом фазового пространства, и является четырехимпульсом частицы . Множитель задаётся следующим образом:
где — количество наборов неразличимых частиц в конечном состоянии, и — это число частиц типа , так что Фазовое пространство можно определить из
где четырехмерная Дельта-функция Дирака, четырёхимпульс частицы , и энергия частицы . Чтобы получить полную скорость распада для заданного конечного состояния, нужно проинтегрировать по фазовому пространству. Если частица имеет несколько каналов (или «мод») распада с различными конечными состояниями, то полная скорость распада определяется как сумма скоростей распада по всем каналам. Относительная вероятность (или доля) каждого канала распада равна отношению скорости распада по этому каналу к полной скорости распада. Распад на две частицы В этом разделе используется рациональная система единиц, где
Скорость распада Пусть родительская частица с массой распадается на две частицы, обозначенные как 1 и 2. В системе отсчета покоя родительской частицы...
который получается из требования сохранения 4-импульса в процессе распада, т. е.
В сферических координатах
Используя дельта-функцию для вычисления интегралов и в фазовом пространстве для конечного состояния двух тел, можно обнаружить, что скорость распада родительской частицы в системе отсчета покоя равна
В лабораторной системе отсчета Угол вылета частицы в лабораторной системе отсчета связан с углом вылета в системе центра масс уравнением
Комплексная масса и скорость распада В этом разделе используется рациональная система единиц, где Массу нестабильной частицы удобно представлять комплексным числом, где действительная часть — это масса в обычном понимании, а мнимая часть — скорость распада в рациональной системе единиц. Если мнимая часть велика по сравнению с действительной, такую частицу обычно рассматривают скорее как резонанс, чем как частицу. Это объясняется тем, что в квантовой теории поля частица с массой (действительным числом) часто выступает в роли переносчика взаимодействия между двумя другими частицами даже при недостатке энергии для её реального рождения — при условии, что время перемещения между этими частицами достаточно мало (порядка ), согласно принципу неопределенности. Частица с массой может перемещаться в течение времени , однако распадается по прошествии времени порядка . Если , то частица, как правило, распадается, не успев завершить перемещение."The Particle Adventures" См. также Нестабильные элементарные частицы Формула Брейта — Вигнера Физика элементарных частиц Список частиц Слабое взаимодействие
Примечания
Внешние ссылки (See page 2). Particle Data Group. "The Particle Adventure" Particle Data Group, Lawrence Berkeley National Laboratory. Категория:Физика элементарных частиц