Элементарные частицы: 5. Слабые распады

Дождитесь загрузки виджета хронологической шкалы.

Для просмотра необходимо включить JavaScript.


Времена жизни элементарных частиц

— лептоны
███ — легкие адроны
— легкие адроны и «странные» адроны (содержат s-кварк)
███ — «очарованные» и «прелестные» адроны
— «очарованные» адроны (содержат c-кварк)
— «прелестные» адроны (содержат b-кварк)
— участники электрослабых взаимодействий
███ — методы измерения

Если сильные распады группировались в районе йоктосекунд, электромагнитные — в окрестностях аттосекунды, то слабые распады «отдуваются за всех» — они охватывают аж 27 порядков на шкале времен!

На краях этого невообразимо широкого диапазона находятся два «экстремальных» случая.

  • Распады топ-кварка и частиц-переносчиков слабого взаимодействия (W и Z-бозонов) происходят примерно за 0,3 ис = 3·10−25с. Это самые быстрые распады среди всех элементарных частиц и вообще самые быстрые процессы, достоверно известные современной физике. Получается так потому, что это распады с самым большим энерговыделением.

  • Самая долгоживущая элементарная частица, нейтрон, живет примерно 15 минут. Такое огромное по меркам микромира время объясняется тем, что этот процесс (бета-распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино) обладает очень маленьким энерговыделением. Это энерговыделение такое слабое, что в подходящих условиях (например, внутри атомного ядра) этот распад уже может быть энергетически невыгоден, и тогда нейтрон становится полностью стабильным. Атомные ядра, все вещество вокруг нас, да и мы сами существуем только благодаря этой удивительной слабости бета-распада.

В промежутке между этими крайностями большинство слабых распадов тоже идут более-менее компактно. Их можно разбить на две группы, которые мы условно назовем: быстрые слабые распады и медленные слабые распады.

Распад прелестного B-минус-мезона на очарованный D-0-мезон с испусканием электрона и антинейтрино — один из примеров довольно быстрого распада, идущего за счет слабого взаимодействия

Распад прелестного B-мезона на очарованный D0-мезон с испусканием электрона и антинейтрино — один из примеров довольно быстрого распада, идущего за счет слабого взаимодействия

Быстрые — это распады длительностью около пикосекунды. Так вот удивительно сложились числа в нашем мире, что в узкий диапазон значений от 0,4 до 2 пс попадают времена жизни сразу нескольких десятков элементарных частиц. Это так называемые очарованные и прелестные адроны — частицы, которые в своем составе имеют тяжелый кварк.

Пикосекунды — это замечательно, это просто бесценно с точки зрения эксперимента на коллайдерах! Дело в том, что за 1 пс частица успеет пролететь треть миллиметра, а такие большие дистанции современный детектор измеряет легко. Благодаря этим частицам картина столкновения частиц на коллайдере становится «легко читаемой» — вот тут произошло столкновение и рождение большого числа адронов, а вон там, чуть поодаль, произошли вторичные распады. Время жизни становится напрямую измеримо, а значит, появляется возможность узнать, что это была за частица, и уже потом использовать эту информацию для более сложного анализа.

Медленные слабые распады — это распады, которые начинаются от сотни пикосекунд и простираются на весь наносекундный диапазон. Сюда попадает класс так называемых «странных частиц» — многочисленных адронов, содержащих в своем составе странный кварк. Несмотря на свое название, для современных экспериментов они совсем не странные, а наоборот, самые обыденные частицы. Они просто выглядели странными в 50-х годах прошлого века, когда физики неожиданно стали их открывать одну за другой и не совсем понимали их свойства. Кстати, именно изобилие странных адронов и подтолкнуло физиков полвека назад к идее кварков.

С точки зрения современного эксперимента с элементарными частицами наносекунды — это очень много. Это так много, что вылетевшая из ускорителя частица просто не успевает распасться, а пронзает детектор, оставляя в нём свой след. Конечно, она потом застрянет где-то в веществе детектора или в горных породах вокруг него и там распадется. Но физиков этот распад уже не заботит, их интересует только тот след, который эта частица оставила внутри детектора. Так что для современных экспериментов такие частицы выглядят почти как стабильные; их поэтому называют «промежуточным» термином — метастабильные частицы.

Ну а самой долгоживущей частицей, не считая нейтрона, является мюон — этакий «собрат» электрона. Он не участвует в сильном взаимодействии, он не распадается за счет электромагнитных сил, поэтому ему остаются только слабые взаимодействия. А поскольку он довольно легкий, он живет 2 микросекунды — целая эпоха по масштабам элементарных частиц.


0
Написать комментарий

    Элементы

    © 2005-2017 «Элементы»