Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Більшість фундаментальних частинок розпадається самочинно. Виняток становлять стійкі частинки — протон, антипротон, електрон, позитрон — і частинки, що рухаються зі швидкістю світла.
Таблиця 20.3. Баріони й антибаріониа
| Назва | Електричний заряд | Маса, МеВ | Власний заряд | Зарядовий спін | Дивність | Спін | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| +1 | 0 | −1 | ||||||
| Кси-частинка | Ξ0 | Ξ− | 1311; 1318,4 | −1/2 | 1/2 | −2 | 1/2 | |
| Сигма-частинка | Σ+ | Σ0 | Σ− | 1189,4; 1191,5; 1196 | 0 | 1 | −1 | 1/2 |
| Лямбда-частинка | Λ | 1115,4 | 0 | 0 | −1 | 1/2 | ||
| Нуклони (протон, нейтрон) | p+ | n | 938,2; 939,5 | +1/2 | 1/2 | 0 | 1/2 | |
| Кси-античастинка | $\overline{\Xi}{}^{+}$ | $\overline{\Xi}{}^{0}$ | 1318,4; 1311 | +1/2 | 1/2 | +2 | 1/2 | |
| Сигма-античастинка | $\overline{\Sigma}{}^{+}$ | $\overline{\Sigma}{}^{0}$ | $\overline{\Sigma}{}^{-}$ | 1196; 1191,5; 1189,4 | 0 | 1 | +1 | 1/2 |
| Лямбда-античастинка | $\overline{\Lambda}$ | 1115,4 | 0 | 0 | +1 | 1/2 | ||
| Антинейтрон, антипротон | $\overline{n}$ | $\overline{p}{}^{-}$ | 939,5; 938,2 | −1/2 | 1/2 | 0 | 1/2 | |
а Баріони мають баріонне число +1; антибаріони мають баріонне число −1; ті й інші мають лептонне число 0.
Незважаючи на те що багато фундаментальних частинок відкрито лише кілька років тому, вже накопичено величезну інформацію про їхні властивості та про реакції, що призводять до їхнього утворення, а також про реакції перетворення їх на інші форми матерії та про процеси розпаду. Реакції розпаду нестійких частинок вказано в табл. 20.4, де наведено також значення періодів напіврозпаду. Усі ці реакції розпаду — мономолекулярні реакції, природу яких розглянуто в розд. 10.
Принципи збереження
Розпад окремих частинок вивчали аналізом слідів, що їх залишають окремі частинки в камерах Вільсона, у шарах фотоемульсії, у бульбашкових камерах, а також іншими методами виявлення частинок. Встановлено, що в кожному випадку зберігаються маса-енергія та імпульс. Доведено, що строго дотримуються також і такі принципи збереження:
Збереження моменту кількості руху
Збереження електричного заряду
Збереження баріонного числа
Збереження лептонного числа
Принцип збереження електричного заряду ілюструється реакціями розпаду, наведеними в табл. 20.4. Так, лямбда-частинка, що являє собою гіперон з масою, дещо більшою за масу нуклона, може розпадатися з утворенням протона й від'ємного піона або з утворенням нейтрона й нейтрального піона. У першому випадку нейтральна лямбда-частинка утворює додатно заряджену частинку й від'ємно заряджену частинку; у другому випадку вона утворює дві нейтральні частинки.
Таблиця 20.4. Реакції розпаду частинок
| Частинки | Реакція | Відношення, % | Період піврозпаду, с |
|---|---|---|---|
| Баріони | Ξ0 → Λ + π0 | ∼2·10−10 | |
| Ξ− → Λ + π− | 2·10−10 | ||
| Σ+ → p+ + π0 | 46±6 | 0,8·10−10 | |
| n + π+ | 54±6 | ||
| Σ0 → Λ + γ | ∼10−20 | ||
| Σ− → n + π− | 1,6·10−10 | ||
| Λ → p+ + π− | 63±3 | 2,4·10−10 | |
| n + π0 | 37±3 | ||
| n → p+ + e− + $\overline{\nu}$ | 1040 | ||
| Мезони | η0 → π+ + π0 + π− | ∼10−23 | |
| $K_1^0$ → π+ — π− | 78±6 | 1,0·10−10а | |
| π0 + π0 | 21±6 | ||
| $K_2^0$ → π+ + π− | 78±6 | 6·10−8 | |
| π0 + π0 | 22±6 | ||
| K− → μ− + $\overline{\nu}{}'$ | 59±2 | 1,22·10−8 | |
| π0 + π− | 26±2 | ||
| π+ + π− + π− | 5,7±0,3 | ||
| π0 + π0 + π− | 1,7±0,3 | ||
| e− + $\overline{\nu}$ + π0 | 4,2±0,4 | ||
| μ− + $\overline{\nu}{}'$ + π0 | 4,0±0,8 | ||
| π+ → $\overline{\mu}{}^{+}$ + ν′ | 100 | 2,56·10−8 | |
| $\overline{e}{}^{+}$ + ν | 0,013 | ||
| π0 → γ + γ | 2·10−15 | ||
| Лептони | μ− → e− + ν′ + $\overline{\nu}$ | 10−6 |
а У пучку нейтральних каонів K0 й антикаонів $\overline{K}{}^{0}$ ці частинки розпадаються з двома різними швидкостями, даючи однакові продукти реакції. Таку поведінку пояснюють тим, що пучок містить як частинки $K_2^0$, які перебувають у квантовому стані, що відповідає симетричній суперпозиції K0 і $\overline{K}{}^{0}$, так і частинки $K_1^0$, які перебувають у квантовому стані, що відповідає антисиметричній суперпозиції K0 і $\overline{K}{}^{0}$. З усіх відомих пар такою властивістю має лише ця каон-антикаонна пара.
Складнішим прикладом, також наведеним у табл. 20.4, є розпад від'ємного каона. За експериментальними даними, ця частинка розпадається шістьма різними способами. П'ять із реакцій її розпаду призводять до утворення від'ємно зарядженої частинки та однієї або двох нейтральних частинок. Шоста реакція призводить до утворення додатно зарядженої частинки, додатного піона, і двох від'ємно заряджених частинок, від'ємних піонів. Таким чином, при всіх цих шести реакціях дотримується принцип збереження електричного заряду.
При кожній реакції зберігається також баріонне число. Баріони мають баріонне число +1, а антибаріони мають баріонне число −1, усі інші частинки мають баріонне число 0. У різних процесах утворення баріонів і антибаріонів завжди виникають пари частинок — один баріон й один антибаріон. Аналогічно розпад баріона завжди призводить до утворення іншого баріона й інших частинок з баріонним числом 0. Так, шляхом спостережень встановлено, що від'ємна кси-частинка розпадається з утворенням лямбда-частинки, яка має баріонне число +1, і від'ємного піона, який має баріонне число 0.
Лептони, до яких належать електрон, нейтрино й мюон, мають лептонне число +1, а антилептони мають лептонне число −1; усі інші частинки мають лептонне число 0. Лептонне число строго зберігається в усіх реакціях.
Існують також і деякі інші принципи збереження, які за даними спостережень дотримуються при сильних взаємодіях і не дотримуються при слабких взаємодіях. Це питання обговорюється в наступному розділі.