Experimental systematics of particle lifetimes and widths

Summary

By comparing the lifetimes of the metastable (τ>10⁻¹⁷ s) elementary particles with one another, we find experimentally that these lifetimes occur both as ratios of 2 and as ratios of α=e ²/ħc, with supposedly dissimilar particles grouped together, and with no experimental counterexamples. When short-lived (τ ∼ 10⁻²² s) meson and baryon resonances are studied, it is found that the width is a key identification symbol. Grouping together resonances that have similar (narrow) widths, we obtain very accurate linear mass intervals. This mapping can be extended to include essentially all of the observed narrow-width meson and baryon resonances in a comprehensive pattern. These results suggest a weak-binding-energy approach to elementary-particle structure. This is the same conclusion that emerges from a broad overview of the successes of the quark model. The empirical level spacings point to the existence of two basic mass quanta, a spinless quantum μ ⋍ 70 MeV and a spin-1/2 quantumS ⋍ 330 MeV. Electromagnetic properties of nucleons also indicate the existence of the 330 MeV mass quantum. In reconciling a 330 MeV mass quantumS with a 939 MeV nucleon mass and a 1795 MeV$\bar pn$ bound-state mass, we are led to the Fermi and Yang formulation of the nucleon rather than to the formulation of Gell-Mann and Zweig. The observed spectrum of narrow-width meson and baryon resonances can be reproduced by forming suitable combinations of the quanta μ andS. Broad-width resonances are interpreted as rotational excitations. Basis states 3 ≡ 3μ and 4 ≡ 4μ, initially selected to account for observed level spacings in hyperon resonances, are shown to have significance with respect to strangeness quantum numbers and with respect to basic characteristics of baryon and meson resonances. These basis states can also be used to account phenomenologically for the observed factors of 2 and α in the lifetimes of the metastable resonances. The predictive power of the present linear systematics is illustrated in a «meson excitation tower» for narrow-width resonances. First published in 1970, this excitation tower is shown with separate groupings for the resonances that were identified in 1970 and for the resonances that have subsequently been identified.

Riassunto

Paragonando l’un l’altra le vite medie delle particelle elementari metastabili (τ>10⁻¹⁷ s), si ottiene sperimentalmente che queste vite medie ricorrono sia come fattori di 2 che diα=e ²/ħc, con particelle supposte diverse riunite insieme e senza alcuna controesempio sperimentale. Quando si studiano le risonanze mesoniche e barioniche con vite medie brevi (τ ∼ 10⁻²² s), si trova che l’ampiezza è il simbolo chiave per l’identificazione. Riunendo insieme le risonanze che hanno ampiezze (strette) simili, si ottengono intervalli di massa lineari molto accurati. Si può estendere questa rappresentazione fino ad includere essenzialmente tutte le risonanze mesoniche e barioniche ad ampiezze strette osservate in un modello di vasta portata. Questi risultati suggeriscono un accostamento alla struttura delle particelle dal punto divista di una energia di legame debole. Questa conclusione è la stessa che emerge da un ampio sguardo sui successi del modello a quark. La spaziatura empirica dei livelli indica l’esistenza di due quanti di massa principali, in quantoμ ⋍ 70 MeV privo di spin e un quantoS ⋍ 330 MeV con spin 1/2. Anche le proprietà elettromagnetiche dei nucleoni indicano l’esistenza del quanto di massa di 330 MeV. Nel conciliare un quantoS di massa di 330 MeV con una massa del nucleone di 939 MeV e una massa dello stato legato antiprotone-neutrone di 1795 MeV, si è condotti alla formulazione di Fermi e Yang del nucleone, piuttosto che alla formulazione di Gell-Mann e Zweig. Si può riprodurre lo spettro osservato delle risonanze mesoniche e barioniche ad ampiezza stretta formando adeguate combinazioni dei quantiμ eS. Si sono interpretate le risonanze ad ampiezza larga come eccitazioni rotazionali. Si mostra che gli stati base 3 Ξ 3μ e 4 Ξ 4μ, inizialmente selezionati per tenere conto delle spaziature dei livelli osservate nelle risonanze iperoniche, hanno significato rispetto si numeri quantici di stranezza e rispetto alle caratteristiche fondamentali delle risonanze barioniche e mesoniche. Si possono usare questi stati base anche per tenere conto fenomenologicamente dei fattori 2 eα osservati nelle vite medie delle risonanze metastabili. Si è illustrata la capacità di predizione della presente sistematica lineare in una «torre di eccitazione di mesoni» per risonanze ad ampiezza stretta. Si mostra questa torre di eccitazione, pubblicata per la prima volta nel 1970, con raggruppamenti separati per le risonanze che crano identificate nel 1970 e per le risonanze che sono state identificate in seguito.

Реэюме

Сравнивая времена жиэни метастабильных (τ>10⁻¹⁷ сек) злемен-тарных частиц друг с другом, мы находим зкспериментально, что зти времена жиэни относятся либо как 2, либо какα=e ²/ħc, в случае неодинаковых частиц, сгруппиро-ванных вместе, и при отсутствии зкспериментальных противопокаэаний. Когда иэучаются короткоживушие (τ ∼ 10⁻²² сек) меэонные и барионные реэонансы, то обнаружено, что щирина представляет ключевой символ для идентификации. Груп-пируя вместе реэонансы, которые имеют аналогичные (уэкие) щирины, мы получаем очень точные линейные массовые интервалы. Это отображение может быть расщи-рено, чтобы включить, по сушеству, все наблюденные меэонные и барионные реэо-нансы с малой щириной в зту модель. Эти реэультаты предполагают приближение слабой знергии свяэи для структуры злементарной частицы. Этот факт представляет тот же вывод, который воэникает иэ обшей точки эрения на успехи модели кварков. Эмпирические расстояния между уровнями укаэывают на сушествование двух ос-новных массовых квантов, бесспинового квантаμ⋍70 MзB и квантаS⋍330 MзB со спином 1/2. Электромагнитные свойства нуклонов также укаэывают на сушество-вание кванта с массой 330 MзB. При согласовании массового 330 MзB квантаS с нуклонной массой 939 MзB и свяэанным состоянием$\bar pn$ с массой 1795 MзB, мы приходим к формулировке нуклова Ферми и Янга, а не формулировке Гелл-Манна и Цвейга. Наблюденный спектр меэонных и барионных реэонансов с малыми щири-нами может быть воспроиэведен с помошью обраэования соответствуюших комби-наций квантовμ иS. Реэонансы с больщими щиринами интерпретируются, как ротационные воэбуждения. Покаэывается, что основные состояния 3 Ξ 3μ и 4 Ξ 4μ, первоначально отобранные для общяснения наблюдаемых расстояний между уров-нями в гиперонных реэонансах, имеют эначение для квантовых чисел странности и для основных характеристик барионных и меэонных реэонансов. Эти основные состояния могут быть также испольэованы для феноменологического общяснения наблюденных факторов 2 иα в отнощениях времен жиэни метастабильных реэо-нансов. Предскаэываюшая способность настояшей линейной систематики иллюстри-руется на примере « бащни воэбуждений меэонов » для реэонансов с малыми щири-нами. Впервые опубликованная в 1970, зта бащня воэбуждений была покаэана в случае отдельных группировох для реэонансов, которые были идентифицированы в 1970, и для реэонансов, которые были идентифицированы впоследствии.