Законы сохранения в ядерных реакциях и превращениях частиц

Законы сохранения позволяют предсказать возможность или невозможность (т.е. запрет) распадов и реакций. Один из принципов квантовой механики состоит в том, что всякий процесс, не запрещенный ни одним из законов сохранения, обязательно реализуется, может быть и с малой вероятностью:

сохранение энергии-импульса ограничивает самопроизвольные ядерные реакции и распады нестабильных частиц только такими, для которых сумма масс рожденных частиц меньше суммы масс исходных. Законы сохранения энергии-импульса позволяют рассчитать энергетический порог произвольного процесса или реакции.

Пример: закон сохранения импульса запрещает аннигиляцию электрон-позитронной пары с образованием одного гамма-кванта, т.к. в системе центра масс импульс пары равен нулю.

сохранение спина и закон сохранения момента импульса позволяетотнести все частицы к категории фермионов (полуцелый спин) или бозонов (целый спин) – это часто достаточно, что бы исключить возможность каких-либо процессов.

Пример: безнейтринный распад нейтрона на две частицы – протон и электрон – запрещен законом сохранения момента импульса, т.к. нейтрон фермион, а система протон и электрон обладает целым спином, т.е. – бозон.

сохранение лептонного заряда установлено во всехпроцессах при доступных в настоящее время энергиях, а именно разность числа лептонов и антилептонов каждого типа лептонов сохраняется. Из таблицы свойств лептонов видно, что лептонный заряд для античастиц противоположен знаку зарядов частиц.

Пример: Превращение мюона в электрон по схеме не может идти из-за нарушения лептонного заряда (слева +1, справа +3), а по схеме мюон действительно распадается (теперь справа +1-1+1=1)

Сохранение барионного заряда означает, что в любом процессе разница между числом барионов и антибарионов неизменна. Поэтому каждому бариону приписывают заряд +1, антибарионам заряд -1, всем мезонам нулевой барионный заряд. Кваркам приписывают барионный заряд 1/3 и закон сохранения барионного заряда сводится к сохранению числа кварков. Для всех лептонов барионное число равно нулю.

Пример: т.к.. p=(u,u,d), n=(u,d,d) а барионный заряд кварков 1/3, то барионный заряд протона и нейтрона одинаков и равен +1, что равносильно сохранению числа нуклонов в ядерных превращениях и реакциях.

Сохранение лептонного, барионного и электрического зарядов выполняется во всех процессах ядерных распадов и превращений.

Пример: возможны превращения пи-мезонов в мюоны по схеме и распад мюонов .

Если ограничиться только ядерными реакциями и для нуклонов, лептонов и гамма-квантов ввести зарядовое и барионное число: , , → , , , то для всех ядерных реакций можно утверждать сумма верхних (нижних) индексов исходных частиц равна сумме верхних (нижних) индексов образовавшихся частиц.