Decadimento particellare

In fisica delle particelle, il decadimento particellare è il processo spontaneo mediante il quale una particella subatomica instabile si trasforma in una o più altre particelle subatomiche. Le particelle create nel processo (lo stato finale) devono essere ciascuna meno massiva della particella originale, sebbene la massa invariante del sistema sia conservata. Una particella è instabile se c'è almeno uno stato finale permesso in cui essa può decadere. Le particelle instabili hanno spesso molti modi di decadimento, ciascuno con una sua probabilità. I decadimenti sono mediati da una o più interazioni fondamentali. Le particelle dello stato finale possono essere a loro volta instabili e quindi decadere ulteriormente.

Il decadimento particellare è diverso dal decadimento radioattivo, in cui un nucleo atomico instabile si trasforma in un nucleo più leggero con l'emissione di particelle o radiazione, sebbene i due processi abbiano delle similitudini e possano essere descritti con la stessa terminologia.

Dai dati del Particle Data Group, la vita media di alcune importanti particelle risulta essere:

Tipologia	Nome	Simbolo	Massa (MeV/c2)	Vita media
Leptone	Elettrone / Positrone	${\displaystyle e^{-}\,/\,e^{+}}$	0,511	>4,6×1026 anni
	Muone / Antimuone	${\displaystyle \mu ^{-}\,/\,\mu ^{+}}$	105,6	2,2×10−6 s
	Tauone / Antitauone	${\displaystyle \tau ^{-}\,/\,\tau ^{+}}$	1777	291×10−15 s
Mesone	Pione neutro	${\displaystyle \pi ^{0}}$	135	8,4×10−17 s
	Pione carico	${\displaystyle \pi ^{+}\,/\,\pi ^{-}}$	139,6	2,6×10−8 s
Barione	Protone / Antiprotone	${\displaystyle p^{+}\,/\,p^{-}}$	938,2	>1×1026 anni
	Neutrone / Antineutrone	${\displaystyle n\,/\,{\bar {n}}}$	939,6	885,7 s
Bosone	Bosone W	${\displaystyle W^{+}\,/\,W^{-}}$	80 400	1×10−24 s
	Bosone Z	${\displaystyle Z^{0}}$	91 000	1×10−25 s

La vita media di una particella è indicata con ${\displaystyle \tau }$, la probabilità che essa sopravviva per un tempo maggiore di t prima di decadere è:

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

dove

${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}}$

è il fattore di Lorentz della particella.

Per una particella di massa M, la larghezza di decadimento:

${\displaystyle \Gamma ={\frac {\hbar }{\tau }}}$

e

${\displaystyle d\Gamma _{n}={\frac {(2\pi )^{4}}{2M}}\left|{\mathcal {M}}\right|^{2}d\Phi _{n}(P;p_{1},p_{2},\dots ,p_{n})}$

dove

• n è il numero di particelle create nel decadimento.
• ${\displaystyle {\mathcal {M}}}$ è l'elemento della matrice invariante che connette lo stato iniziale con lo stato finale.
• ${\displaystyle d\Phi _{n}}$ è l'elemento della spazio delle fasi
• ${\displaystyle p_{i}}$ è il quadri-momento della particella i.

Lo spazio delle fasi è determinato da

${\displaystyle d\Phi _{n}(P;p_{1},p_{2},\dots ,p_{n})=\delta ^{4}(P-\sum _{i=1}^{n}p_{i})\left(\prod _{i=1}^{n}{\frac {d^{3}{\vec {p}}_{i}}{(2\pi )^{3}2E_{i}}}\right)}$

dove ${\displaystyle \delta ^{4}}$ è la delta di Dirac in quattro dimensioni.

La radice della norma del quadrimpulso di una particella è anche detta massa invariante (costante per ogni velocità v < c e numericamente coincidente con la massa a riposo m₀).

La norma del quadrimpulso è definita come la differenza tra il quadrato dell'energia e il quadrato del tri-impulso:

${\displaystyle p^{2}=E^{2}-({\vec {p}})^{2}=m^{2}\quad \quad \quad \quad (1)}$

Nel caso di due particelle si ha:

${\displaystyle p^{2}=\left(p_{1}+p_{2}\right)^{2}=p_{1}^{2}+p_{2}^{2}+2p_{1}p_{2}=m_{1}^{2}+m_{2}^{2}+2(E_{1}E_{2}-{\vec {p}}_{1}\cdot {\vec {p}}_{2})}$

Il quadrimpulso è conservato in tutti i decadimenti ed interazioni tra particelle

${\displaystyle p_{\mathrm {iniziale} }=p_{\mathrm {finale} }}$

Se una particella di massa M decade in due particelle (etichettate con 1 e 2) la conservazione del quadrimomento diventa

${\displaystyle p_{M}=p_{1}+p_{2}}$

che può essere scritto come

${\displaystyle p_{M}-p_{1}=p_{2}}$

elevando al quadrato entrambi i membri

${\displaystyle p_{M}^{2}+p_{1}^{2}-2p_{M}p_{1}=p_{2}^{2}}$

Usando la definizione precedentemente definita del quadrato del quadrimpulso si ha

${\displaystyle M^{2}+m_{1}^{2}-2\left(E_{M}E_{1}-{\vec {p}}_{M}\cdot {\vec {p}}_{1}\right)=m_{2}^{2}}$

Se supponiamo la particella "madre" inizialmente ferma:

${\displaystyle {\vec {p}}_{M}=0\qquad E_{M}=M}$

si ottiene

${\displaystyle M^{2}+m_{1}^{2}-2ME_{1}=m_{2}^{2}}$

e quindi si arriva alla formula dell'energia per la particella 1:

${\displaystyle E_{1}={\frac {M^{2}+m_{1}^{2}-m_{2}^{2}}{2M}}}$

Similmente per la particella 2:

${\displaystyle E_{2}={\frac {M^{2}+m_{2}^{2}-m_{1}^{2}}{2M}}}$

L'angolo con cui è emessa una particella misurato nel sistema del laboratorio è collegato all'angolo nel sistema del centro di massa tramite l'equazione

${\displaystyle \tan {\theta '}={\frac {\sin {\theta }}{\gamma \left(\beta /\beta '+\cos {\theta }\right)}}}$

Data una particella si massa M che decade in due particelle 1 e 2, nel sistema di riferimento fermo della particella "madre" si ha

${\displaystyle |{\vec {p}}_{1}|=|{\vec {p_{2}}}|={\frac {[(M^{2}-(m_{1}+m_{2})^{2})(M^{2}-(m_{1}-m_{2})^{2})]^{1/2}}{2M}}.}$

In coordinate sferiche:

${\displaystyle d^{3}{\vec {p}}=|p|^{2}\,dpd\Omega =p^{2}\,d\phi \,d\left(\cos \theta \right).}$

Conoscendo l'elemento nello spazio delle fasi per il decadimento a due corpi si ottiene che la larghezza di decadimento è:

${\displaystyle d\Gamma ={\frac {1}{32\pi ^{2}}}\left|{\mathcal {M}}\right|^{2}{\frac {|{\vec {p}}_{1}|}{M^{2}}}\,d\phi _{1}\,d\left(\cos \theta _{1}\right).}$