Взаимные превращения частиц

    Одним из главных свойств частиц является их способность превращаться друг в друга, рождаться и  уничтожаться в результате взаимодействия.
    Открытие позитрона, частицы по своим характеристикам похожей на электрон, но имеющей в отличие от электрона положительный единичный заряд, было исключительно важным событием в физике. Еще в 1928 году П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистской квантовой механики электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, как с положительной, так и с отрицательной энергией. Состояние с отрицательной энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд. Позитрон был первой открытой частицей из целого класса частиц, которые получили название античастиц. До открытия позитрона казалась необъяснимой неодинаковая роль положительных и отрицательных зарядов в природе. Почему существует тяжелый положительно заряженный протон, и нет тяжелой частицы с массой протона и отрицательным зарядом? Зато существовал легкий отрицательно заряженный электрон. Открытие в 1932 г. позитрона по существу восстановило зарядовую симметрию для легких частиц и поставило перед физиками проблему поиска античастицы для протона. Другая неожиданность - позитрон является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать бесконечно долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция. Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два γ-кванта

Происходит превращение частиц с массой покоя отличной от нуля в частицы с нулевой массой покоя (фотоны), т.е. масса покоя не сохраняется, а превращается в кинетическую энергию.
    Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рождения пары электрон-позитрон. Электрон-позитронные пары легко рождались -квантами с энергией в несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра. В классической физике понятия частицы и волны резко разграничены - одни физические объекты являются частицами, а другие - волнами. Превращение пары электрон-позитрон в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между излучением и веществом много общего. Процессы аннигиляции и рождения пар заставили по-новому осмыслить, что же такое частицы, которые ранее называли элементарными. Частица перестала быть неизменным "кирпичиком" в строении материи. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного превращения частиц. Оказалось, что частицы могут рождаться и исчезать, превращаясь в другие частицы.
    В созданной Э. Ферми теории -распада было показано, что испускаемые в процессе -распада электроны не существуют в ядре, а рождаются в результате распада нейтрона. В результате этого распада исчезает нейтрон n и рождается протон p, электрон e^- и электронное антинейтрино_e.

n    p  + e- + e

m(n) = 939.6 Мэв. m(p) = 938.3 Мэв. m(e) = ? τ(n) = 887c.

    В результате реакций между антипротоном  и протоном  p, в зависимости от энергии сталкивающихся частиц, могут рождаться различные частицы

p +	→ n + + π+ + π-	m( ) = m(p), m() = m(n) m(π+) = m(π-) = 140 Мэв. τ(π+) = τ(π-) = 2.6∙10-8 c.
	→ π+ + π- + π0
	→ К+ + K-

    Положительно заряженный  К⁺-мезон, среднее время жизни которого 1.2∙10^-8 с, распадается одним из приведенных ниже способов (справа приведены относительные вероятности распадов.

    Λ-гиперон и Δ⁰-резонанс имеют примерно одинаковые массы, распадаются на одни и те же частицы - протон и π^--мезон. Большое различие в их времени жизни обусловлено механизмом распада. Λ-гиперон распадается в результате слабого взаимодействия, а Δ⁰-резонанс - в результате сильного взаимодействия.

    При распаде отрицательного мюона (^-) в конечном состоянии наряду с электроном появляются две нейтральные частицы - мюонное нейтрино ν_μ и электронное антинейтрино _e. Этот распад происходит в результате слабого взаимодействия.

μ- →  e- +  e  + νμ

m(μ-) = 106 Мэв. τ(μ-) = 2.2∙10-6 c.

    Распады частиц, их стабильность обусловлены законами сохранения. Т.к. в нашей части Вселенной практически нет античастиц и средние энергии частиц низкие, окружающее нас вещество стабильно.

28.09.2015