原子核・素粒子の問題

静止している ${\tau }^{-}$ レプトン（静止質量 $1776.86\mathrm{MeV}/c^2$）が、ちょうど $4$ 個の粒子に崩壊する終状態を考える。終状態の粒子は、次の $17$ 種類から重複を許して選ぶものとする（括弧内は静止質量で、単位は $\mathrm{MeV}/c^2$）。

$$e^{-},e^{+}(0.511),{\mu }^{-},{\mu }^{+}(105.66),{\nu }_e,{\bar{\nu }}_e,{\nu }_{\mu },{\bar{\nu }}_{\mu },{\nu }_{\tau },{\bar{\nu }}_{\tau }(0),$$
$${\pi }^{+},{\pi }^{-}(139.57),{\pi }^0(134.98),p,\bar{p}(938.27),n,\bar{n}(939.57)$$

量子数は次のとおりとする。$e^{-},{\nu }_e$ は電子型レプトン数 $L_e=+1$、${\mu }^{-},{\nu }_{\mu }$ はミュー型レプトン数 $L_{\mu }=+1$、${\tau }^{-},{\nu }_{\tau }$ はタウ型レプトン数 $L_{\tau }=+1$ をもち、それ以外のレプトン数は $0$ である。$p,n$ はバリオン数 $B=+1$ で、レプトン数は $0$ である。${\pi }^{+},{\pi }^{-},{\pi }^0$ は $B=0$ で、レプトン数はすべて $0$ である。反粒子は、電荷・$B$・各レプトン数の符号が粒子と逆である（${\pi }^{+}$ と ${\pi }^{-}$ は互いに反粒子、${\pi }^0$ は自身が反粒子）。電荷は $e^{-},{\mu }^{-},{\tau }^{-},{\pi }^{-},\bar{p}$ が $-1$、$e^{+},{\mu }^{+},{\pi }^{+},p$ が $+1$、そのほかは $0$（電気素量単位）である。

崩壊が許されるための条件は、電荷・バリオン数 $B$・$L_e$・$L_{\mu }$・$L_{\tau }$ がそれぞれ保存されることと、終状態の粒子の静止質量の和が ${\tau }^{-}$ の静止質量より小さいこと（エネルギー保存）だけとする。角運動量や相互作用の種類による制限は考えない。終状態は、粒子の種類とその個数の組（順序は区別しない）で区別する。このとき、許される $4$ 粒子終状態は何通りあるか。

静止している粒子が崩壊する次の過程 $(1)$〜$(8)$ を考える。

$(1)$ $n\to p+e^{-}+{\bar{\nu }}_e$

$(2)$ $p\to n+e^{+}+{\nu }_e$

$(3)$ ${\mu }^{-}\to e^{-}+{\bar{\nu }}_e+{\nu }_{\mu }$

$(4)$ ${\mu }^{-}\to e^{-}+\gamma$

$(5)$ ${\pi }^{+}\to {\mu }^{+}+{\nu }_{\mu }$

$(6)$ $p\to e^{+}+{\pi }^0$

$(7)$ ${\Lambda }^0\to p+{\pi }^{-}$

$(8)$ ${\pi }^{-}\to e^{-}+{\nu }_e$

ここでは、次の 5 つの条件をすべて満たす過程を「起こりうる」とし、1 つでも満たさない過程を「起こらない」とする。
- 電荷の保存
- バリオン数の保存（$p,n,{\Lambda }^0$ は $+1$、それ以外の粒子は $0$）
- 電子型レプトン数 $L_e$ の保存（$e^{-},{\nu }_e$ は $+1$、$e^{+},{\bar{\nu }}_e$ は $-1$、それ以外は $0$）
- ミュー型レプトン数 $L_{\mu }$ の保存（${\mu }^{-},{\nu }_{\mu }$ は $+1$、${\mu }^{+},{\bar{\nu }}_{\mu }$ は $-1$、それ以外は $0$）
- エネルギー保存：崩壊前の粒子の静止質量が、崩壊後の粒子の静止質量の和より大きい

静止質量（単位 $\text{MeV}/c^2$）は、$p$: $938.3$、$n$: $939.6$、$e^{\pm }$: $0.511$、${\mu }^{\pm }$: $105.7$、${\pi }^{\pm }$: $139.6$、${\pi }^0$: $135.0$、${\Lambda }^0$: $1115.7$ とし、ニュートリノと光子 $\gamma$ の質量は $0$ とする。電荷は $p,{\mu }^{+},{\pi }^{+},e^{+}$ が $+e$、$e^{-},{\mu }^{-},{\pi }^{-}$ が $-e$、その他は $0$ である。

起こりうる過程の番号をすべて求め、集合で答えよ。

次の表は、いくつかの粒子の静止質量（単位 $\mathrm{MeV}/c^2$）と、電荷 $Q$（電気素量 $e$ 単位）、バリオン数 $B$、電子型レプトン数 $L_e$、ミュー型レプトン数 $L_{\mu }$ である。反粒子は、質量が粒子と同じで、$Q,B,L_e,L_{\mu }$ がすべて粒子の符号を反転した値をもつ。${\pi }^0$ と光子 $\gamma$ は自分自身が反粒子であり、ニュートリノと光子の質量は $0$ とする。

（${\pi }^{-}$ は ${\pi }^{+}$ の反粒子である。）

静止している自由な粒子の次の崩壊 $(1)$〜$(8)$ について、「電荷・バリオン数・電子型レプトン数・ミュー型レプトン数がそれぞれ保存し、かつ崩壊前の粒子の静止質量が崩壊後の粒子の静止質量の和より大きい」ときに限り崩壊が起こりうるとする。この基準で起こりうる崩壊の番号をすべて求めよ。

$(1)$ $n\to p+e^{-}+{\bar{\nu }}_e$

$(2)$ $p\to n+e^{+}+{\nu }_e$

$(3)$ $p\to e^{+}+{\pi }^0$

$(4)$ ${\mu }^{-}\to e^{-}+{\bar{\nu }}_e+{\nu }_{\mu }$

$(5)$ ${\mu }^{-}\to e^{-}+\gamma$

$(6)$ ${\pi }^{+}\to {\mu }^{+}+{\nu }_{\mu }$

$(7)$ $\Lambda \to p+{\pi }^{-}$

$(8)$ ${\pi }^{-}\to e^{-}+{\nu }_e$

静止している ${\pi }^{+}$ 中間子が、2 体崩壊
$${\pi }^{+}\to {\mu }^{+}+X$$
を起こす。$X$ は ${\nu }_e,{\bar{\nu }}_e,{\nu }_{\mu },{\bar{\nu }}_{\mu }$ のうちの 1 つであり、電荷・バリオン数・電子型レプトン数 $L_e$・ミュー型レプトン数 $L_{\mu }$ がすべて保存するように決まる。量子数は次のとおりとする（記載のない量子数は $0$、反粒子は符号が反転する）。

• ${\pi }^{+}$: 電荷 $+1$
• ${\mu }^{-}$: 電荷 $-1$、$L_{\mu }=1$
• ${\nu }_e$: $L_e=1$、${\nu }_{\mu }$: $L_{\mu }=1$

静止質量エネルギーを $m_{\pi }{c}^2=139.57\mathrm{MeV}$、$m_{\mu }{c}^2=105.66\mathrm{MeV}$ とし、$X$ の質量は $0$ とする。崩壊で生じた ${\mu }^{+}$ の運動エネルギーを、特殊相対論に基づいて MeV 単位で有効数字 3 桁で求めよ。

加速器で作ったニュートリノ（または反ニュートリノ）のビームを標的に当てたときに起こる反応として、次の $(1)$〜$(8)$ が候補に挙がっている。

$(1)$ ${\nu }_{\mu }+n\to {\mu }^{-}+p$

$(2)$ ${\nu }_{\mu }+n\to e^{-}+p$

$(3)$ ${\nu }_{\mu }+p\to {\mu }^{+}+n$

$(4)$ ${\bar{\nu }}_{\mu }+p\to {\mu }^{+}+n$

$(5)$ ${\nu }_{\mu }+p\to {\mu }^{-}+p+{\pi }^{+}$

$(6)$ ${\nu }_{\mu }+e^{-}\to {\mu }^{-}+{\nu }_e$

$(7)$ ${\nu }_{\mu }+p\to {\mu }^{-}+{\pi }^{+}+{\pi }^{+}$

$(8)$ ${\nu }_{\mu }+n\to {\mu }^{-}+n$

ビームのエネルギーは十分大きく、エネルギーの不足で反応が起こらないことはないものとする。次の 4 つの保存則をすべて満たす反応を「起こりうる」とし、1 つでも破る反応を「起こらない」とする。
- 電荷の保存（$p,{\mu }^{+},{\pi }^{+}$ は $+e$、$e^{-},{\mu }^{-}$ は $-e$、$n$ とニュートリノ・反ニュートリノは $0$）
- バリオン数の保存（$p,n$ は $+1$、それ以外は $0$）
- 電子型レプトン数 $L_e$ の保存（$e^{-},{\nu }_e$ は $+1$、$e^{+},{\bar{\nu }}_e$ は $-1$、それ以外は $0$）
- ミュー型レプトン数 $L_{\mu }$ の保存（${\mu }^{-},{\nu }_{\mu }$ は $+1$、${\mu }^{+},{\bar{\nu }}_{\mu }$ は $-1$、それ以外は $0$）

起こりうる反応の番号をすべて求め、集合で答えよ。