Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Большинство фундаментальных частиц распадаются самопроизвольно. Исключение составляют устойчивые частицы — протон, антипротон, электрон, позитрон — и частицы, движущиеся со скоростью света.
Таблица 20.3. Барионы и антибарионыа
| Название | Электрический заряд | Масса, МэВ | Собственный заряд | Зарядовый спин | Странность | Спин | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| +1 | 0 | −1 | ||||||
| Кси-частица | Ξ0 | Ξ− | 1311; 1318,4 | −1/2 | 1/2 | −2 | 1/2 | |
| Сигма-частица | Σ+ | Σ0 | Σ− | 1189,4; 1191,5; 1196 | 0 | 1 | −1 | 1/2 |
| Лямбда-частица | Λ | 1115,4 | 0 | 0 | −1 | 1/2 | ||
| Нуклоны (протон, нейтрон) | p+ | n | 938,2; 939,5 | +1/2 | 1/2 | 0 | 1/2 | |
| Кси-античастица | $\overline{\Xi}{}^{+}$ | $\overline{\Xi}{}^{0}$ | 1318,4; 1311 | +1/2 | 1/2 | +2 | 1/2 | |
| Сигма-античастица | $\overline{\Sigma}{}^{+}$ | $\overline{\Sigma}{}^{0}$ | $\overline{\Sigma}{}^{-}$ | 1196; 1191,5; 1189,4 | 0 | 1 | +1 | 1/2 |
| Лямбда-античастица | $\overline{\Lambda}$ | 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 Барионы имеют барионное число +1; антибарионы имеют барионное число −1; те и другие имеют лептонное число 0.
Несмотря на то что многие фундаментальные частицы открыты всего лишь несколько лет назад, уже накоплена огромная информация об их свойствах и о реакциях, приводящих к их образованию, а также о реакциях превращения их в другие формы материи и о процессах распада. Реакции распада неустойчивых частиц указаны в табл. 20.4, где приведены также значения периодов полураспада. Все эти реакции распада — мономолекулярные реакции, природа которых рассмотрена в гл. 10.
Принципы сохранения
Распад отдельных частиц изучали анализом следов, оставляемых отдельными частицами в камерах Вильсона, в слоях фотоэмульсии, в пузырьковых камерах, а также другими методами обнаружения частиц. Установлено, что в каждом случае сохраняется масса-энергия и импульс. Доказано, что строго соблюдаются также и следующие принципы сохранения:
Сохранение момента количества движения
Сохранение электрического заряда
Сохранение барионного числа
Сохранение лептонного числа
Принцип сохранения электрического заряда иллюстрируется реакциями распада, приведенными в табл. 20.4. Так, лямбда-частица, представляющая собой гиперон с массой, несколько превышающей массу нуклона, может распадаться с образованием протона и отрицательного пиона или с образованием нейтрона и нейтрального пиона. В первом случае нейтральная лямбда-частица образует положительно заряженную частицу и отрицательно заряженную частицу; во втором случае она образует две нейтральные частицы.
Таблица 20.4. Реакции распада частиц
| Частицы | Реакция | Отношение, % | Период полураспада, с |
|---|---|---|---|
| Барионы | 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 | ||
| Мезоны | 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 | ||
| Лептоны | μ− → e− + ν′ + $\overline{\nu}$ | 10−6 |
а В пучке нейтральных каонов K0 и антикаонов $\overline{K}{}^{0}$ эти частицы распадаются с двумя разными скоростями, давая одинаковые продукты реакции. Такое поведение объясняют тем, что пучок содержит как частицы $K_2^0$, находящиеся в квантовом состоянии, отвечающем симметричной суперпозиции K0 и $\overline{K}{}^{0}$, так и частицы $K_1^0$, находящиеся в квантовом состоянии, отвечающем антисимметричной суперпозиции K0 и $\overline{K}{}^{0}$. Из всех известных пар таким свойством обладает только эта каон-антикаонная пара.
Более сложным примером, также приведенным в табл. 20.4, является распад отрицательного каона. По экспериментальным данным, эта частица распадается шестью разными способами. Пять из реакций ее распада приводят к образованию отрицательно заряженной частицы и одной или двух нейтральных частиц. Шестая реакция приводит к образованию положительно заряженной частицы, положительного пиона, и двух отрицательно заряженных частиц, отрицательных пионов. Таким образом, при всех этих шести реакциях соблюдается принцип сохранения электрического заряда.
При каждой реакции сохраняется также барионное число. Барионы имеют барионное число +1 и антибарионы имеют барионное число −1, все остальные частицы имеют барионное число 0. В различных процессах образования барионов и антибарионов всегда возникают пары частиц — один барион и один антибарион. Аналогичным образом распад бариона всегда приводит к образованию другого бариона и других частиц с барионным числом 0. Так, путем наблюдений установлено, что отрицательная кси-частица распадается с образованием лямбда-частицы, имеющей барионное число +1, и отрицательного пиона, имеющего барионное число 0.
Лептоны, к которым относятся электрон, нейтрино и мюон, имеют лептонное число +1, а антилептоны имеют лептонное число −1; все другие частицы имеют лептонное число 0. Лептонное число строго сохраняется во всех реакциях.
Существуют также и некоторые другие принципы сохранения, которые по данным наблюдений соблюдаются при сильных взаимодействиях и не соблюдаются при слабых взаимодействиях. Этот вопрос обсуждается в следующем разделе.