Номер 5, страница 262 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

5. Какие частицы являются стабильными?

Стабильными в физике элементарных частиц называют частицы, которые самопроизвольно не распадаются на другие, более легкие частицы. Их время жизни в свободном состоянии считается бесконечным. Стабильность частиц обусловлена фундаментальными законами сохранения (например, сохранения энергии, импульса, электрического заряда, барионного числа).

Различают абсолютно стабильные частицы и частицы, стабильные в определенных условиях.

К абсолютно стабильным (согласно Стандартной модели) относят следующие элементарные частицы:

• Фотон ($\gamma$): Это безмассовый квант электромагнитного поля. Так как у него нет массы покоя, а также нет более легких частиц, на которые он мог бы распасться с соблюдением законов сохранения, он абсолютно стабилен.
• Электрон ($e^-$) и его античастица позитрон ($e^+$): Электрон — самый легкий из известных лептонов, обладающий отрицательным электрическим зарядом. Его распад запрещен законом сохранения электрического заряда, так как не существует заряженной частицы с меньшей массой.
• Нейтрино ($\nu$): Существуют три типа нейтрино ($\nu_e, \nu_\mu, \nu_\tau$). Из-за явления нейтринных осцилляций они имеют массу. Самое легкое из массовых состояний нейтрино является стабильным, поскольку ему не на что распадаться. Их античастицы (антинейтрино) также стабильны.
• Протон ($p$): В рамках Стандартной модели протон считается стабильной частицей. Он является самым легким барионом, и закон сохранения барионного числа запрещает его распад. Некоторые теории, выходящие за рамки Стандартной модели (теории Великого объединения), предсказывают возможность распада протона, но с чрезвычайно большим временем жизни (экспериментальный предел $> 10^{34}$ лет). На сегодняшний день распад протона не наблюдался.
• Глюоны ($g$): Это безмассовые частицы, переносчики сильного взаимодействия. Они не существуют в свободном виде из-за конфайнмента (удержания внутри адронов), но как фундаментальные частицы они стабильны.
• Гравитон (гипотетическая частица): Если он существует, то как безмассовый переносчик гравитационного взаимодействия он должен быть стабилен.

Существуют также частицы, которые нестабильны в свободном состоянии, но могут быть стабильными в связанных системах. Ярким примером является нейтрон ($n$):

• В свободном состоянии нейтрон нестабилен и распадается по схеме $n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e$ со средним временем жизни около 15 минут.
• Внутри стабильных атомных ядер нейтрон является стабильным, так как энергия связи делает его распад энергетически невыгодным.

Ответ:

Стабильными частицами, которые не распадаются в свободном состоянии, являются: фотон, электрон (и его античастица позитрон), нейтрино (самое легкое массовое состояние), глюоны и, в рамках Стандартной модели, протон. Нейтрон стабилен только в составе некоторых атомных ядер.