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Probabilidade de decaimento das partículas

Professor,

Estive curioso com um detalhe da física quântica.

Geralmente encontro tabelas de decaimento de partículas em outras, informando a probabilidade daquele modo acontecer.

Estive curioso se está probabilidade é dependente ou não do nível de energia daquela partícula antes do decaimento. Basicamente, estas probabilidades podem se modificar se a partícula tiver uma energia cinética maior, por exemplo?

Muito obrigado pela resposta.

Respondido por: Prof. César Bernardes (IF-UFRGS)

Pergunta muito interessante sobre o fenômeno de decaimento de partículas, mais especificamente sobre a taxa de decaimento de uma partícula em outras, conhecida como razão de ramificação (branching ratio, Br ) [1]. De fato, o fenômeno de decaimento é bastante complexo, mas muito utilizado em física de partículas e nuclear para estudar as partículas que compõem a matéria e suas interações.

Primeiramente, gostaria de fazer um esclarecimento sobre o termo “nível de energia da partícula”. De fato, dada uma partícula (por exemplo, um méson, composto por um quark + antiquark; ou um núcleo de um átomo, composto de vários prótons e nêutrons) que decai em um dado modo com uma certa probabilidade. Seus estados excitados de energia, os quais são tecnicamente definidos como outras partículas, por exemplo, com maior momento angular total (consequentemente maior energia ou maior massa invariante), são observados decair em outros modos com diferentes probabilidades. 

De modo geral, a razão de ramificação no caso de uma partícula composta vai depender do tipo de interações entre seus constituintes (que também devem respeitar algumas leis de conservação, por exemplo, conservação da carga elétrica); do quão viável  cinematicamente é a reação (avaliado por meio do que chamamos de espaço de fases [1]). Partículas consideradas como elementares (sem constituintes) como os léptons múons e taus, também apresentam modos de decaimentos, sendo que a Br  em um dado modo também vai depender do tipo de interação dessas partículas, bem como da viabilidade cinemática.

A razão de ramificação está relacionada com uma quantidade denominada “constante de decaimento”  \Gamma ; mais precisamente com a razão entre a constante de decaimento parcial relacionada a um dado modo de decaimento \Gamma_{i}   e a constante de decaimento total considerando todos os modos de decaimento possíveis \Gamma_{T} . Portanto, Br = \Gamma_{i} / \Gamma_{T} [1]. Essas \Gamma's são construídas utilizando as informações sobre as interações (dinâmica) e espaço de fases. Note que uma partícula de massa não nula estar ou não em movimento vai depender de que referencial inercial (referencial em que qualquer outro referencial inercial está se movendo com velocidade constante) estamos observando. Nos modelos teóricos atuais, construídos com base na relatividade restrita, as  \Gamma's   são construídas como independentes do referencial inercial [1], resultando em excelente acordo com os dados experimentais. A razão de ramificação para um dado processo é medida em laboratório para partículas instáveis produzidas com diferentes velocidades (por exemplo, em colisões de partículas em aceleradores) e sempre são observados valores únicos. Por exemplo, contando o número de partículas provenientes de um dado canal (modo de decaimento) e fazendo a razão com o número de partículas considerando todos os modos de decaimento. Portanto, se temos um estado de partícula bem definido, teremos apenas um valor de Br para ser medido.

Referências

[1] 

Modern Particle Physics, Mark Thomson (Cambridge) – Capítulo 3.

Concepts of Elementary Particles, Michael E. Peskin (Oxford) – Capítulo 7.

https://web.archive.org/web/20141121115205/http://pdg.lbl.gov/2005/reviews/kinemarpp.pdf


Um comentário em “Probabilidade de decaimento das partículas

  1. Rafael disse:

    Foi uma bela resposta, professor. Não sou da área de física de partículas mas sempre mantenho minha curiosidade em dias.

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