Decaimento de partículas - Particle decay
A decomposição de partículas é o processo espontâneo de uma partícula subatômica instável que se transforma em várias outras partículas. As partículas criadas neste processo (o estado final ) devem ser menos massivas que o original, embora a massa invariante total do sistema deva ser conservada. Uma partícula é instável se houver pelo menos um estado final permitido no qual ela pode decair. As partículas instáveis geralmente têm várias maneiras de decair, cada uma com sua própria probabilidade associada . As decadências são mediadas por uma ou várias forças fundamentais . As partículas no estado final podem ser instáveis e sujeitas a mais degradação.
O termo é tipicamente distinto de decaimento radioativo , no qual um núcleo atômico instável é transformado em um núcleo mais leve acompanhado pela emissão de partículas ou radiação, embora os dois sejam conceitualmente semelhantes e frequentemente descritos usando a mesma terminologia.
Probabilidade de sobrevivência e vida útil das partículas
O decaimento da partícula é um processo de Poisson e, portanto, a probabilidade de que uma partícula sobreviva pelo tempo t antes de decair é dada por uma distribuição exponencial cuja constante de tempo depende da velocidade da partícula:
- Onde
Tabela de algumas vidas úteis de partículas elementares e compostas
Todos os dados são do grupo de dados de partículas .
Modelo Nome Símbolo Massa ( MeV ) Vida média Lepton Elétron / Positron Muon / antimuão Tau lepton / Antitau Méson Pion Neutro Pion Carregado Baryon Próton / Antipróton Neutron / Antineutron Boson Bóson W 80400 Bóson Z 91000
Taxa de decaimento
Esta seção usa unidades naturais , onde
O tempo de vida de uma partícula é dado pelo inverso de sua taxa de decaimento,, a probabilidade por unidade de tempo de que a partícula decair. Para uma partícula de massa M e quatro momentos P decaindo em partículas com momentos , a taxa de decaimento diferencial é dada pela fórmula geral (expressando a regra de ouro de Fermi )
- Onde
- n é o número de partículas criadas pela degradação do original,
- S é um fator combinatório para explicar os estados finais indistinguíveis (veja abaixo),
- é o elemento de matriz invariante ou amplitude conectando o estado inicial ao estado final (geralmente calculado usando diagramas de Feynman ),
- é um elemento do espaço de fase , e
- é o quatro momentum da partícula i .
O fator S é dado por
- Onde
- m é o número de conjuntos de partículas indistinguíveis no estado final, e
- é o número de partículas do tipo j , de modo que .
O espaço de fase pode ser determinado a partir de
- Onde
- é uma função delta de Dirac quadridimensional ,
- é o (três-) momento da partícula i , e
- é a energia da partícula i .
Pode-se integrar ao longo do espaço de fase para obter a taxa de decaimento total para o estado final especificado.
Se uma partícula tem vários ramos ou modos de decaimento com diferentes estados finais, sua taxa de decaimento total é obtida somando-se as taxas de decaimento de todos os ramos. A taxa de ramificação para cada modo é dada por sua taxa de decaimento dividida pela taxa de decaimento total.
Decadência de dois corpos
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Taxa de decaimento
Digamos que uma partícula parental de massa M decaia em duas partículas, rotuladas 1 e 2 . No quadro restante da partícula pai,
que é obtido exigindo que quatro momentos sejam conservados na decadência, ou seja,
Além disso, em coordenadas esféricas,
Usando a função delta para realizar as integrais e no espaço de fase para um estado final de dois corpos, descobre-se que a taxa de decaimento no quadro de repouso da partícula pai é
De dois frames diferentes
O ângulo de uma partícula emitida na estrutura do laboratório está relacionado ao ângulo que ela emitiu no centro da estrutura do momento pela equação
Massa complexa e taxa de decaimento
Esta seção usa unidades naturais , onde
A massa de uma partícula instável é formalmente um número complexo , com a parte real sendo sua massa no sentido usual, e a parte imaginária sendo sua taxa de decaimento em unidades naturais . Quando a parte imaginária é grande em comparação com a parte real, a partícula é geralmente considerada mais uma ressonância do que uma partícula. Isso ocorre porque na teoria quântica de campos uma partícula de massa M (um número real ) é frequentemente trocada entre duas outras partículas quando não há energia suficiente para criá-la, se o tempo para viajar entre essas outras partículas for curto o suficiente, da ordem 1 / M, de acordo com o princípio da incerteza . Para uma partícula de massa , a partícula pode viajar por um tempo 1 / M, mas decai após um tempo da ordem de . Nesse caso , a partícula geralmente decai antes de completar sua viagem.
Veja também
- Distribuição Relativística Breit-Wigner
- Física de partículas
- Radiação de partícula
- Lista de partículas
- Interação fraca
Notas
links externos
- JD Jackson (2004). "Cinemática" (PDF) . Grupo de dados de partículas . Arquivado do original (PDF) em 21/11/2014 . Página visitada em 2006-11-26 . (Consulte a página 2).
- Grupo de dados de partículas .
- Grupo de dados de partículas " The Particle Adventure " , Lawrence Berkeley National Laboratory.