Время жизни

ВРЕМЯ ЖИЗНИ частиц. Большинство элементарных частиц неустойчивы, т. е. самопроизвольно (спонтанно) распадаются на более лёгкие частицы. Распад происходит по экспоненциальному закону

N (t) = N₀ e ^-t/t,

где N (t) - число частиц в момент времени t, N₀ - в начальный момент времени. По такому же закону происходит распад радиоактивных ядер. Постоянная t наз. В. ж. частиц. Это время, за к-рое число распадающихся частиц уменьшается в е = 2,718 раз (е - основание натуральных логарифмов). Время полураспада t_1/2 (распада половины начального числа частиц) связано с В. ж. частиц соотношением t_1/2 = tln2 0,693t. В экспоненциальном законе распада проявляется вероятностный характер законов микромира и квантовой механики. Переходы из состояния одной частицы в состояние др. частицы без испускания др. свободных частиц (напр., переходы ) наз. осцилляциями. Вероятность распада частицы данного сорта в ед. времени равна t^-1 и не зависит от способа её получения и возраста. Так, напр., после распада 99% частиц за время 4,6 t оставшийся 1% частиц "не постарел" и имеет то же самое В. ж. т. Принцип неопределённости связывает В. ж. частиц с неопределённостью их энергии e, а следовательно, массы. Поэтому В. ж. самых короткоживущих частиц определяют по ширине распределения полной энергии продуктов распада. Само существование таких частиц устанавливают либо по энергетнч. распределениям продуктов распада с помощью инварианта , где e_i и p_i - энергии и импульсы частиц-продуктов распада, либо по распределениям недостающей массы в реакциях элементарных частиц (см. Масса покоя). В. ж. определяется природой сил, вызывающих распад, и зависит от величины энерговыделения в распаде. Чем слабее взаимодействие, вызывающее распад, тем больше В. ж. частицы. Так, мезоны и барионы (напр., r⁰-мезон, w⁰-мезон, адронные резонансы), распадающиеся за счёт процессов сильного взаимодействия, имеют аномально малое В. ж. ~10^-22-10^-23 с. В. ж. частиц, распадающихся за счёт эл.-магн. взаимодействия, ~10^-16-10^-20 с. Напр., В. ж. p⁰-мезона ~10^-16 с, В. ж. частиц, распадающихся по слабому взаимодействию, ещё больше: В. ж. L-гиперона ~10^-10 с, p-мезона ~10^-8 с, мюона ~2^.10^-6 с, а нейтрона ~10³ с. В совр. единых теориях элементарных частиц предсказывается сверх-сверхслабое взаимодействие, вызывающее распад протона, так что В. ж. протона оказывается >10³¹ лет.

В. ж. частиц и античастиц в вакууме строго равны. В. ж. частиц в среде зависит также от скорости их захвата, а В. ж. античастиц - от скорости их аннигиляции. Так, позитроны в вакууме - абсолютно стабильны, а их В. ж. в веществе при концентрации электронов n_е определяется сечением реакции s и относит. скоростью частиц v: t = (n_еsv)^-1, где sv - скорость аннигиляции позитронов и электронов.

При движении частицы со скоростью, приближающейся к скорости света, В. ж. частицы в системе покоя наблюдателя увеличивается в Г = (1 - v²/c²)^-1/2 раз. Это явление с большой точностью подтверждено в опытах на ускорителях и в космических лучах. Так, напр., мюоны с В. ж. в покое 2^.10^-6 с при энергии 10¹⁴ эВ (Г ~10⁶) способны пройти, практически не распадаясь, путь 6^.10¹⁰ см (за В. ж. 2^.10^-6.Г 2 с). По этой же причине фотон (скорость равна с) стабилен (не распадается). Данные о В. ж. частиц имеют важное значение при анализе процессов в космосе, в частности при анализе происхождения компонентов космич. лучей, наблюдаемых у поверхности Земли, или при анализе возможных механизмов g- или нейтринного излучения.

(М.Ю. Хлопов)