اضمحلال الجسيم

اضمحلال الجسيم هي عملية تلقائية لجسيم أولي يتحول منها إلى جسيم أولي آخر. فخلال تلك العملية، يصبح الجسيم الأولي المتحول جسيما آخر بكتلة أقل وحامل قوة مثل بوزون W في تحلل الميون. ثم يتحول حامل القوة إلى جسيم آخر. فإن كانت عملية تخليق الجسيم ليست مستقرة فإن عملية التحلل أو الإضمحلال ستستمر.

تختلف عملية اضمحلال الجسيم من الاضمحلال الإشعاعي، حيث تتحول نواة الذرة غير المستقرة إلى نواة أصغر يرافقها انبعاث لجسيمات أو اشعاع.

يلاحظ أن الأرقام المستخدمة بالمقال هي أرقام طبيعية، حيث:

$c=\hbar=1. \,$

جدول للعمر الزمني للجسيمات

جميع البيانات معطاة من مجموعة بيانات الجسيمات .

النوع	الاسم	الرمز	كتلة (MeV/c2)	العمر الزمني الرئيسي
ليبتون	الكترون / بوزيترون	$e^- \, / \, e^+$	0.511	$> 4.6 \times 10^{26} \ \mathrm{years} \,$
	ميون / مضاد ميون	$\mu^- \, / \, \mu^+$	105.6	$2.2\times 10^{-6} \ \mathrm{seconds} \,$
	تاو ليبتون / مضاد التاو	$\tau^- \, / \, \tau^+$	1777	$2.9 \times 10^{-13} \ \mathrm{seconds} \,$
ميزون	بيون محايد	$\pi^0\,$	135	$8.4 \times 10^{-17} \ \mathrm{seconds} \,$
	بيون مشحون	$\pi^+ \, / \, \pi^-$	139.6	$2.6 \times 10^{-8} \ \mathrm{seconds} \,$
باريون	بروتون / مضاد بروتون	$p^+ \, / \, p^-$	938.2	$> 10^{29} \ \mathrm{years} \,$
	نيوترون / مضاد نيوترون	$n \, / \, \bar{n}$	939.6	$885.7 \ \mathrm{seconds} \,$
بوزون	W boson	$W^+ \, / \, W^-$	80,400	$10^{-25} \ \mathrm{seconds} \,$
	Z boson	$Z^0 \,$	91,000	$10^{-25} \ \mathrm{seconds} \,$

احتمالات النجاة

يسمى العمر الزمني الرئيسي للجسيم $\tau$، وبالتالي فإن احتمال أن الجسيم يبقى لفترة أطول من t قبل التحلل تكون معطاة بالعلاقة:

$P(t) = e^{-t/(\gamma \tau)} \,$

حيث

$\gamma = \frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}}$ هو عامل لورنتز للجسيم.

معدل الإضمحلال

يكون معدل الإضمحلال لجسيم كتلته M معطاة في المعادلة العامة

$d \Gamma_n = \frac{(2\pi)^4}{2M}\left|\mathcal{M} \right|^2 d \Phi_n (P; p_1, p_2,\dots, p_n) \,$

حيث

n هو عدد الجسيمات الناشئة من إضمحلال الأصل,

$\mathcal{M}\,$ هو عنصر المصفوفة الثابت الذي يربط الحالة الأولية بالنهائية,

$d\Phi_n \,$ هو عنصر فضاء المرحلة, و

$p_i \,$ زخم الحركة الرابع i.

يمكن تحديد فضاء المرحلة من

$d \Phi_n (P; p_1, p_2,\dots, p_n) = \delta^4 (P - \sum_{i=1}^n p_i) \left(\prod_{i=1}^n \frac{d^3 \vec{p}_i}{(2\pi)^3 2 E_i} \right) \,$

حيث

$\delta^4 \,$ هي دالة دلتا ديراك رباعية الأبعاد.

كتلة مركبة

تأخذ كتلة الجسيم غير المستقر شكل عدد مركب حيث كتلة الجزء الحقيقي تكون بشكلها المعتاد، بينما يكون معدل الانحلال في جزءها الوهمي بوحدات طبيعية. فعندما يكون الجزء الوهمي كبير مقارنة مع الجزء الحقيقي، سيكون التفكير بأنها رنين أكثر منها جسيمات. وهذا بسبب أن في نظرية الحقل الكمومي يكون جسيم الكتلة M (عدد حقيقي) يتم تبادله بالغالب بين جسيمين من الجزيئات الأخرى عندما لا يكون هناك ما يكفي من الطاقة لإنشائه، فإن كان الزمن اللازم للانتقال بين تلك الجسيمات قصير بما فيه الكفاية، لترتيب M\1 حسب مبدأ الريبة. لجسيم الكتلة $M+i\Gamma$ فإن الجسيم يمكنه التنقل بزمن M\1، ولكنه يتحلل بعد زمن من $1/\Gamma$. فإذا $\Gamma > M$ فإن الجسيم سيتحلل قبل أن ينهي الرحلة.

تحلل الجسيم إلى 3

كمثال على ذلك، فإن عنصر فضاء الطور لجسيم يتحلل إلى ثلاث هو

$d\Phi_3 = \frac{1}{(2\pi)^9} \delta^4(P - p_1 - p_2 - p_3) \frac{d^3 \vec{p}_1}{2 E_1} \frac{d^3 \vec{p}_2}{2 E_2} \frac{d^3 \vec{p}_3}{2 E_3} \,$

كمية حركة رباعية

مقال تفصيلي :كمية حركة رباعية

تعرف كمية رباعية لجسيم أيضا باسم كتلة ساكنة.