РАСПАДЫ ЧАСТИЦ

Важным свойством элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям. Эти превращения наблюдаются в процессах:

1) распада нестабильных частиц;

2) столкновения частиц, обладающих большими энергиями (в результате которых появляются новые частицы);

3) взаимодействия одних частиц, ведущих к появлению других.

Во всех этих процессах наряду с указанными выше законами сохранения соответствующих зарядов соблюдаются фундаментальные законы сохранения:

1) закон сохранения энергии, включая энергию, связанную с массой покоя

2) закон сохранения импульса;

3) закон сохранения механического момента (включая спин частиц).

Рассмотрим наиболее характерные процессы распада частиц.

Предварительно заметим, что некоторые нестабильные частицы распадаются различными способами (каналами распада), каждый из которых характеризуется средней вероятностью реализации Кроме того, интересно заметить, что многие реакции распада сопровождаются появлением «пары частиц», принадлежащих к одному семейству, из которых одна является частицей, другая — античастицей, например (в дальнейшем эти пары заключены в скобки).

Очень важным в атомной и ядерной физике является распад нейтрона на протон, электрон и электронное нейтрино:

Этот процесс в соответствии с законом сохранения числа барионов следует рассматривать как превращение нейтрона в протон, сопровождающееся появлением пары легких частиц: электрона и антинейтрино; обе эти частицы принадлежат к одному семейству — электронных лептонов.

Распад отрицательного мюона происходит по схеме

Этот процесс можно трактовать либо как «превращение отрицательного мюона в электрон, сопровождающееся появлением двух нейтрино», либо же как «превращение мюона в соответствующее мюонное нейтрино, сопровождающееся появлением пары электрона и электронного нейтрино». Обе эти трактовки допустимы. Первая трактовка может быть обусловлена тем, что отрицательный мюон и электрон имеют очень много общего и отличаются только по величине массы; однако появившиеся в этом процессе нейтрино и антинейтрино не составляют «пару», так как нейтрино является мюонным лептоном, а антинейтрино — электронным. Вторая трактовка удобна тем, что в ней подчеркивается появление «пары», состоящей из лептона и антилептона одного семейства однако в этой трактовке допускается превращение заряженной частицы, имеющей собственную массу, в нейтральную частицу, не имеющую собственной массы.

Распад положительного пиона: происходит по двум каналам:

Существенное отличие этого процесса от распада мюона заключается в том, что пион распадается на частицы, составляющие пару «лептон антилептон». Так как является нестабильной частицей, то, учитывая его распад, получим

Следовательно, можно сделать два предположения:

1) либо «пион превращается в мюон с выделением нейтрино»,

2) либо «пион распадается на пары, состоящие из лептона и анти-лептона».

Распад нейтрального пиона также имеет два канала:

Исчезновение нейтрального пиона и появление двух фотонов является примером непосредственного превращения частицы вещества, имеющей собственную массу, в частицы, лишенные этой массы.

Множество каналов распада имеют заряженные и нейтральные каоны:

Таким образом, мезоны распадаются на нестабильные частицы; если учесть дальнейший распад полученных частиц, то можно установить, что конечными стабильными продуктами оказываются пары лептонов и антилептонов. При распаде заряженного мезона в конечных продуктах обязательно присутствует электрон или позитрон (остальные продукты распада — нейтрино и фотоны).

Для распада нейтрального лямбда-гиперона напишем также и конечные продукты:

Различие между этими двумя возможными каналами распада выявляется и в конечных продуктах. Лямбда-гиперон превращается в протон с выделением двух пар частиц; по второй схеме вместо пары «нейтрино + антинейтрино» выделяются два фотона. Если бы эти фотоны составляли пару «фотон + антифотон», то обе схемы были бы более похожими.

Несколько иную картину представляет распад сигма-гиперонов:

Заметим, что первая схема означает превращение сигма-гиперона в протон (через промежуточный этап, с участием нейтрального пиона). Вторая схема резко отличается от первой тем, что содержит в конечных продуктах три пары лептонов и антилептонов.

Для отрицательного сигма-гиперона имеется только один канал распада:

Распад нейтрального сигма-гиперона:

Этот процесс отличается тем, что он представляет собой превращение одной тяжелой (имеющей собственную массу) частицы в другую без промежуточных этапов.

Схемы распадов отрицательного и нейтрального кси-гиперонов в первом этапе имеют простой вид:

Однако в последующих этапах распад усложняется тем, что у лямбда-гиперонов существуют два различных канала распада.

В следующих реакциях две взаимодействующие частицы исчезают, вместо них появляютсядругие:

1) аннигаляция пары «частица античастица», например

Превращение этой пары в один фотон запрещается законом сохранения импульса (суммарный импульс пары относительно центра масс равен нулю, тогда как импульс одного фотона не может равняться нулю). Верхний процесс протекает, когда спины электрона и позитрона антипараллельны, нижний — параллельны; эти условия необходимы, чтобы суммарные спины частиц до и после аннигиляции могли быть одинаковыми.

Аннигиляция протона и антипротона проходит через несколько этапов: сначала появляются два пиона и новая частица со («омега ноль-мезон»):

затем за время с происходит распад:

Появившиеся пионы затем распадаются по приведенным выше каналам; конечными (стабильными) продуктами аннигилации будут электроны, позитроны, нейтрино и фотоны;

2) взаимодействие нуклонов с пионами. Внутри ядра этим взаимодействием объясняется природа ядерных сил; вне ядра — приводит к образованию гиперонов и каонов:

Во всех написанных выше реакциях распада можно проследить соблюдение законов сохранения фундаментальных свойств частиц: электрического заряда, лептонных и баритонных чисел (законы сохранения энергии и импульсов относятся ксостояниям частиц). Можно установить также сохранение спиновых квантовых чисел с учетом того, что спины частиц до и после распада могут иметь или параллельные, или антипараллельные ориентации. Закон сохранения механического момента предполагает суммирование орбитальных и спиновых моментов, однако если при распаде орбитальные моменты не появляются (например, когда траектории продуктов распада — прямые линии), то суммарный спин появившихся частиц будет равен спину распадающейся частицы.

Приведем несколько реакций, иллюстрирующих появление («рождение») новых элементарных частиц при столкновениях:

1) появление пары «электрон + позитрон» при столкновении двух электронов, кинетическая энергия которых (относительно центра масс)

2) при столкновении протонов, имеющих достаточно большие энергии где разность масе частиц до и после столкновения), наблюдается появление различных частиц: