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Particle decay

Source ๐Ÿ“

2441: 2425: 2238: 3247: 3358: 1661: 2985: 1990: 3092: 2846: 2709: 259: 163: 620: 865: 490: 1068: 433: 808: 693: 1875: 938: 563: 1237: 1001: 369: 3439:) is often exchanged between two other particles when there is not enough energy to create it, if the time to travel between these other particles is short enough, of order 1/M, according to the 1121: 1403: 1301: 1178: 1526: 3530: 1974: 3472: 3502: 735: 3084: 3034: 3265: 1339: 2857: 2233:{\displaystyle d\Phi _{n}(P;p_{1},p_{2},\dots ,p_{n})=(2\pi )^{4}\delta ^{4}\left(P-\sum _{i=1}^{n}p_{i}\right)\prod _{i=1}^{n}{\frac {d^{3}{\vec {p}}_{i}}{2(2\pi )^{3}E_{i}}}} 2315: 1706: 3415: 2415: 2272: 1452: 1751: 2349: 1915: 1785: 1474: 1512: 195: 3595:
Bajc, Borut; Hisano, Junji; Kuwahara, Takumi; Omura, Yuji (2016). "Threshold corrections to dimension-six proton decay operators in non-minimal SUSY SU (5) GUTs".
3242:{\displaystyle d\Gamma ={\frac {\left|{\mathcal {M}}\right|^{2}}{32\pi ^{2}}}{\frac {|{\vec {p}}_{1}|}{M^{2}}}\,d\phi _{1}\,d\left(\cos \theta _{1}\right).\,} 2724: 3588: 2484: 202: 3257:
The angle of an emitted particle in the lab frame is related to the angle it has emitted in the center of momentum frame by the equation
102: 3648: 3086:
integrals in the phase-space for a two-body final state, one finds that the decay rate in the rest frame of the parent particle is
577: 822: 447: 1016: 3541: 381: 750: 635: 1813: 880: 505: 3687: 1194: 958: 326: 1085: 2434:, the decay of a particle into two equal mass particles results in them being emitted with an angle of 180ยฐ between them. 40: 1351: 1249: 47:
final state that it can decay into. Unstable particles will often have multiple ways of decaying, each with its own
1656:{\displaystyle d\Gamma _{n}={\frac {S\left|{\mathcal {M}}\right|^{2}}{2M}}d\Phi _{n}(P;p_{1},p_{2},\dots ,p_{n})\,} 1136: 3683: 3507: 3371: 2368:
with different final states, its full decay rate is obtained by summing the decay rates for all branches. The
1924: 3581: 3446: 3477: 3725: 3428: 3375: 3353:{\displaystyle \tan {\theta '}={\frac {\sin {\theta }}{\gamma \left(\beta /\beta '+\cos {\theta }\right)}}} 2454:
so the two emitted particles would come out at angles different from those in the center of momentum frame.
710: 2980:{\displaystyle d^{3}{\vec {p}}=|{\vec {p}}\,|^{2}\,d|{\vec {p}}\,|\,d\phi \,d\left(\cos \theta \right).\,} 3039: 2993: 1314: 3423:, with the real part being its mass in the usual sense, and the imaginary part being its decay rate in 3427:. When the imaginary part is large compared to the real part, the particle is usually thought of as a 2283: 1686: 3745: 2361:
One may integrate over the phase space to obtain the total decay rate for the specified final state.
3387: 2387: 2249: 1424: 91: 1725: 3574: 70:, although the two are conceptually similar and are often described using the same terminology. 1515: 3440: 2326: 1892: 1762: 1713: 1459: 55:. The particles in the final state may themselves be unstable and subject to further decay. 3614: 3432: 2275: 1490: 180: 8: 3729: 3695: 277: 28: 3618: 3630: 3604: 3551: 1476:, the probability per unit time that the particle will decay. For a particle of a mass 52: 48: 35:
transforming into multiple other particles. The particles created in this process (the
32: 3634: 3556: 87: 59: 3626: 1681:
is a combinatorial factor to account for indistinguishable final states (see below),
3622: 3561: 3546: 1717: 44: 20: 66:
is transformed into a lighter nucleus accompanied by the emission of particles or
2369: 79: 43:
of the system must be conserved. A particle is unstable if there is at least one
3700: 3420: 2841:{\displaystyle (M,{\vec {0}})=(E_{1},{\vec {p}}_{1})+(E_{2},{\vec {p}}_{2}).\,} 2451: 1307: 1187: 262: 63: 3739: 3667: 3641: 3424: 3381: 2715: 2381: 1788: 1481: 1418: 2440: 2424: 1887:
is the number of sets of indistinguishable particles in the final state, and
271: 16:
Spontaneous breakdown of an unstable subatomic particle into other particles
3474:, the particle can travel for time 1/M, but decays after time of order of 1716:
connecting the initial state to the final state (usually calculated using
1514:, the differential decay rate is given by the general formula (expressing 3436: 2704:{\displaystyle |{\vec {p}}_{1}|=|{\vec {p}}_{2}|={\frac {^{1/2}}{2M}},\,} 2372:
for each mode is given by its decay rate divided by the full decay rate.
1754: 1078: 951: 569: 1456:
The lifetime of a particle is given by the inverse of its decay rate,
254:{\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}} 67: 3609: 319: 315: 3582:"Electron lifetime is at least 66,000 yottayears โ€“ Physics World" 3532:
then the particle usually decays before it completes its travel.
1074: 158:{\displaystyle P(t)=\exp \left(-{\frac {t}{\gamma \tau }}\right)} 1675:
is the number of particles created by the decay of the original,
73: 3653: 2450:
the parent particle is probably moving at a speed close to the
947: 82:, and hence the probability that a particle survives for time 615:{\displaystyle \mathrm {\tau } ^{-}\,/\,\mathrm {\tau } ^{+}} 39:) must each be less massive than the original, although the 860:{\displaystyle \mathrm {\pi } ^{+}\,/\,\mathrm {\pi } ^{-}} 815: 703: 485:{\displaystyle \mathrm {\mu } ^{-}\,/\,\mathrm {\mu } ^{+}} 439: 297: 3372:
Resonance ยง Atomic, particle, and molecular resonance
1063:{\displaystyle >1.67\times 10^{34}\ \mathrm {years} \,} 428:{\displaystyle >6.6\times 10^{28}\ \mathrm {years} \,} 301: 272:
Table of some elementary and composite particle lifetimes
803:{\displaystyle 8.4\times 10^{-17}\ \mathrm {seconds} \,} 688:{\displaystyle 2.9\times 10^{-13}\ \mathrm {seconds} \,} 197:
is the mean lifetime of the particle (when at rest), and
94:
whose time constant depends on the particle's velocity:
3594: 1870:{\displaystyle S=\prod _{j=1}^{m}{\frac {1}{k_{j}!}}\,} 933:{\displaystyle 2.6\times 10^{-8}\ \mathrm {seconds} \,} 558:{\displaystyle 2.2\times 10^{-6}\ \mathrm {seconds} \,} 3718: 3511: 3481: 3450: 3510: 3480: 3449: 3390: 3268: 3095: 3042: 2996: 2860: 2727: 2487: 2390: 2329: 2286: 2252: 1993: 1927: 1895: 1816: 1765: 1728: 1689: 1529: 1493: 1462: 1427: 1354: 1317: 1252: 1232:{\displaystyle \mathrm {W} ^{+}\,/\,\mathrm {W} ^{-}} 1197: 1139: 1088: 1019: 996:{\displaystyle \mathrm {p} ^{+}\,/\,\mathrm {p} ^{-}} 961: 883: 825: 753: 713: 638: 580: 508: 450: 384: 364:{\displaystyle \mathrm {e} ^{-}\,/\,\mathrm {e} ^{+}} 329: 205: 183: 105: 1116:{\displaystyle \mathrm {n} \,/\,\mathrm {\bar {n}} } 3524: 3496: 3466: 3409: 3352: 3241: 3078: 3028: 2979: 2840: 2703: 2409: 2343: 2309: 2266: 2232: 1968: 1909: 1869: 1779: 1745: 1700: 1655: 1506: 1468: 1446: 1397: 1333: 1295: 1231: 1172: 1115: 1062: 995: 932: 859: 802: 729: 687: 614: 557: 484: 427: 363: 253: 189: 157: 3737: 3419:The mass of an unstable particle is formally a 3649:"How Certain Are We That Protons Don't Decay?" 3365: 1398:{\displaystyle 10^{-25}\ \mathrm {seconds} \,} 1296:{\displaystyle 10^{-25}\ \mathrm {seconds} \,} 3682: 2478:. In the rest frame of the parent particle, 2364:If a particle has multiple decay branches or 74:Probability of survival and particle lifetime 3252: 1173:{\displaystyle 885.7\ \mathrm {seconds} \,} 3608: 3525:{\displaystyle \scriptstyle \Gamma >M} 3431:more than a particle. This is because in 3406: 3238: 3205: 3191: 3075: 2976: 2950: 2943: 2937: 2916: 2903: 2837: 2700: 2406: 2340: 2306: 2263: 1965: 1906: 1866: 1776: 1742: 1697: 1652: 1443: 1394: 1330: 1292: 1216: 1210: 1169: 1100: 1094: 1059: 980: 974: 929: 844: 838: 799: 726: 684: 599: 593: 554: 469: 463: 424: 348: 342: 3732:, Lawrence Berkeley National Laboratory. 2990:Using the delta function to perform the 1969:{\displaystyle \sum _{j=1}^{m}k_{j}=n\,} 51:. Decays are mediated by one or several 3467:{\displaystyle \scriptstyle M+i\Gamma } 1982:The phase space can be determined from 3738: 3542:Relativistic Breit-Wigner distribution 3497:{\displaystyle \scriptstyle 1/\Gamma } 1487:decaying into particles with momenta 730:{\displaystyle \mathrm {\pi } ^{0}\,} 2714:which is obtained by requiring that 2317:is the (three-)momentum of particle 58:The term is typically distinct from 3079:{\displaystyle d|{\vec {p}}_{1}|\,} 3029:{\displaystyle d^{3}{\vec {p}}_{2}} 2470:decays into two particles, labeled 1917:is the number of particles of type 13: 3512: 3490: 3460: 3114: 3099: 1998: 1733: 1692: 1589: 1559: 1534: 1463: 1390: 1387: 1384: 1381: 1378: 1375: 1372: 1334:{\displaystyle \mathrm {Z} ^{0}\,} 1320: 1288: 1285: 1282: 1279: 1276: 1273: 1270: 1219: 1200: 1165: 1162: 1159: 1156: 1153: 1150: 1147: 1104: 1090: 1055: 1052: 1049: 1046: 1043: 983: 964: 925: 922: 919: 916: 913: 910: 907: 795: 792: 789: 786: 783: 780: 777: 680: 677: 674: 671: 668: 665: 662: 550: 547: 544: 541: 538: 535: 532: 420: 417: 414: 411: 408: 351: 332: 14: 3757: 3676: 3397: 2718:be conserved in the decay, i.e. 2397: 2375: 1434: 2851:Also, in spherical coordinates, 2439: 2423: 2310:{\displaystyle {\vec {p}}_{i}\,} 1701:{\displaystyle {\mathcal {M}}\,} 3627:10.1016/j.nuclphysb.2016.06.017 2461: 3661: 3174: 3161: 3150: 3071: 3058: 3047: 3014: 2939: 2931: 2921: 2906: 2897: 2887: 2877: 2831: 2819: 2796: 2790: 2778: 2755: 2749: 2743: 2728: 2669: 2665: 2656: 2629: 2613: 2610: 2601: 2574: 2558: 2555: 2545: 2532: 2521: 2513: 2500: 2489: 2466:Say a parent particle of mass 2294: 2208: 2198: 2181: 2074: 2064: 2058: 2007: 1649: 1598: 1107: 115: 109: 1: 3410:{\displaystyle c=\hbar =1.\,} 2410:{\displaystyle c=\hbar =1.\,} 2267:{\displaystyle \delta ^{4}\,} 1447:{\displaystyle c=\hbar =1.\,} 1412: 3376:Resonance (particle physics) 1746:{\displaystyle d\Phi _{n}\,} 7: 3535: 3366:Complex mass and decay rate 10: 3762: 3369: 2351:is the energy of particle 3668:"The Particle Adventures" 3443:. For a particle of mass 3253:From two different frames 1183: 943: 698: 311: 3567: 3435:a particle of mass M (a 2432:Center of Momentum Frame 1710:invariant matrix element 92:exponential distribution 2344:{\displaystyle E_{i}\,} 1910:{\displaystyle k_{j}\,} 1780:{\displaystyle p_{i}\,} 1469:{\displaystyle \Gamma } 62:, in which an unstable 3726:The Particle Adventure 3526: 3498: 3468: 3411: 3354: 3243: 3080: 3030: 2981: 2842: 2705: 2411: 2345: 2311: 2274:is a four-dimensional 2268: 2234: 2160: 2124: 1970: 1948: 1911: 1871: 1843: 1781: 1747: 1702: 1657: 1508: 1470: 1448: 1399: 1335: 1297: 1233: 1174: 1117: 1064: 997: 934: 861: 804: 731: 689: 616: 559: 486: 429: 365: 276:All data are from the 255: 191: 159: 49:associated probability 3527: 3499: 3469: 3441:uncertainty principle 3412: 3370:Further information: 3355: 3244: 3081: 3031: 2982: 2843: 2706: 2412: 2346: 2312: 2269: 2235: 2140: 2104: 1971: 1928: 1912: 1872: 1823: 1782: 1753:is an element of the 1748: 1703: 1658: 1509: 1507:{\displaystyle p_{i}} 1471: 1449: 1400: 1336: 1298: 1234: 1175: 1118: 1065: 998: 935: 862: 805: 732: 690: 617: 560: 487: 430: 366: 256: 192: 190:{\displaystyle \tau } 160: 86:before decaying (the 3508: 3478: 3447: 3433:quantum field theory 3388: 3266: 3093: 3040: 2994: 2858: 2725: 2485: 2388: 2327: 2284: 2276:Dirac delta function 2250: 1991: 1925: 1893: 1814: 1763: 1726: 1687: 1527: 1491: 1460: 1425: 1352: 1315: 1250: 1195: 1137: 1086: 1017: 959: 881: 823: 751: 711: 636: 578: 506: 448: 382: 327: 203: 181: 103: 78:Particle decay is a 3730:Particle Data Group 3719:Particle Data Group 3696:Particle Data Group 3619:2016NuPhB.910....1B 1516:Fermi's golden rule 278:Particle Data Group 29:spontaneous process 3584:. 9 December 2015. 3552:Particle radiation 3522: 3521: 3494: 3493: 3464: 3463: 3407: 3380:This section uses 3350: 3239: 3076: 3026: 2977: 2838: 2701: 2407: 2380:This section uses 2341: 2307: 2264: 2230: 1966: 1907: 1867: 1777: 1743: 1698: 1653: 1504: 1466: 1444: 1417:This section uses 1395: 1331: 1293: 1229: 1170: 1113: 1060: 993: 930: 857: 800: 727: 685: 612: 555: 482: 425: 361: 251: 187: 155: 53:fundamental forces 33:subatomic particle 3597:Nuclear Physics B 3557:List of particles 3348: 3189: 3164: 3144: 3061: 3017: 2934: 2900: 2880: 2822: 2781: 2746: 2695: 2535: 2503: 2297: 2228: 2184: 1864: 1583: 1408: 1407: 1370: 1268: 1145: 1110: 1041: 905: 775: 660: 530: 406: 249: 248: 246: 148: 90:) is given by an 88:survival function 60:radioactive decay 3753: 3746:Particle physics 3714: 3712: 3711: 3705: 3699:. Archived from 3692: 3670: 3665: 3659: 3658: 3645: 3639: 3638: 3612: 3592: 3586: 3585: 3578: 3562:Weak interaction 3547:Particle physics 3531: 3529: 3528: 3523: 3503: 3501: 3500: 3495: 3489: 3473: 3471: 3470: 3465: 3416: 3414: 3413: 3408: 3359: 3357: 3356: 3351: 3349: 3347: 3346: 3342: 3341: 3327: 3319: 3302: 3301: 3289: 3284: 3283: 3248: 3246: 3245: 3240: 3234: 3230: 3229: 3228: 3204: 3203: 3190: 3188: 3187: 3178: 3177: 3172: 3171: 3166: 3165: 3157: 3153: 3147: 3145: 3143: 3142: 3141: 3128: 3127: 3122: 3118: 3117: 3106: 3085: 3083: 3082: 3077: 3074: 3069: 3068: 3063: 3062: 3054: 3050: 3035: 3033: 3032: 3027: 3025: 3024: 3019: 3018: 3010: 3006: 3005: 2986: 2984: 2983: 2978: 2972: 2968: 2942: 2936: 2935: 2927: 2924: 2915: 2914: 2909: 2902: 2901: 2893: 2890: 2882: 2881: 2873: 2870: 2869: 2847: 2845: 2844: 2839: 2830: 2829: 2824: 2823: 2815: 2808: 2807: 2789: 2788: 2783: 2782: 2774: 2767: 2766: 2748: 2747: 2739: 2710: 2708: 2707: 2702: 2696: 2694: 2686: 2685: 2684: 2680: 2664: 2663: 2654: 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Index

particle physics
spontaneous process
subatomic particle
total mass
allowed
associated probability
fundamental forces
radioactive decay
atomic nucleus
radiation
Poisson process
survival function
exponential distribution
Lorentz factor
Particle Data Group
Mass
MeV
Electron
Positron
Muon
Tau lepton
Pion
Pion
Proton
Antiproton
Neutron
Antineutron
W boson
Z boson
natural units

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