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为什么有些粒子不衰变

2020-01-24 17:51:20 作者:责任编辑NO。郑子龙0371

尽管世界上有很多种类的粒子,但是它们大多数在远小于一秒之内就衰变了。但是为什么一些类型的粒子从不衰变?或者为什么有些粒子衰变极为缓慢,其寿命甚至超过了当前宇宙的年龄(138亿年)?

自然界中已知的稳定粒子包括电子、最轻的中微子、光子,以及引力子(理论假设的粒子,尚未检测到),以及它们所对应的反粒子。其他的中微子,还有质子、许多的原子核以及其对应的反粒子,可能是不稳定的,但是它们非常非常长寿。例如质子,自从宇宙大爆炸到现在,也许只有很小的一部分发生了衰变,其余大部分的质子会继续稳定地存在下去。至于中子,它在原子核之外只能存活大约15分钟,之后就会发生衰变,但是在原子核内部的中子寿命却十分长,其寿命甚至超过了当前宇宙的年龄。最后,我们该提到,如果暗物质也是由粒子构成的话,那么它们也必须是稳定的或者非常长寿的。

为什么这些粒子是稳定的或者非常长寿呢?这就是守恒定律在起作用。所谓“守恒定律”,指的是任何物理过程中一些物理量会保持不变,这样的物理量包括能量、动量、电荷等等,其对应的定律有能量守恒、动量守恒、电荷守恒等等。另外,还存在着一些近似的守恒定律,指的是某些物理量很少会发生改变。

把这些守恒定律和粒子的基本性质结合起来,就能够获得一组简单的规则。这些规则足可以完美地解释一些粒子为什么不能衰变,或者很长寿。下面将列举一些很重要的规则。

1)粒子必须衰变成两个或两个以上的粒子。

宇宙中的每一次衰变,都是一个粒子变成两个或两个以上的粒子。其原因不过是任何物理过程都要使得总能量和总动量保持不变,也就是要遵循能量和动量守恒定律。如果你感兴趣,下面则是这个规律论证的过程。

假设一个I型粒子可以衰变成为II型粒子,然后就没别的了。让我们来看看它的矛盾之处:把I型粒子静止地放在你的面前,根据爱因斯坦的质能关系公式,它的所有的能量只有来自它质量的能量(称为静止能量,下面简称静能)。现在假设它衰变为II型粒子。根据能量守恒定律,则

I型粒子的静能 = II型粒子的静能 + II型粒子的动能

我们都知道动能在任何时候都是正的,或者是零,那么II型粒子的静能必然要小于或等于I型粒子的静能。如果II型粒子的静能要小于I型粒子的静能,那它的动能是正的,这就从另一方面代表着II型粒子必须得移动。但是开始的时候I型粒子是静止的,那么这在某种程度上预示着开始时是没有动量的,而II型粒子得移动,说明之后是有动量的。很显然这样的一种情况是不可能发生的,因为违背了动量守恒定律。因此衰变是不可能的,除非这两个粒子具有同样的质量(这样就具有了同样的静能)。但如果是这种情况的话,I型粒子可以变成II型粒子,根据量子理论,反过来也是能发生的,即II型粒子变成I型粒子,这就类似于同样一个球的颜色从红色到绿色之间变来变去,而质量没有变化。可是,这种变化其实并不是真正的衰变,它其实应该看作多种状态的“混合”现象,是另一种完全不同的量子现象。

2)所有衰变后产生的粒子,其质量总和一定小于衰变前的母粒子质量。

在衰变中,总能量和总动量总是守恒的,但是总质量却总是减少(注意,我们这里提到的质量特指粒子的静止质量)。比如说,一个母粒子质量为m1,它只能衰变为粒子2和粒子3(统称为子粒子),它们质量分别为m2和m3,那么子粒子的质量之和,即m2加上m3必须小于m1。这仍是由能量守恒定律得到的一个简单的结论。论证如下:

还是想象一下粒子1静止在你的面前。它的所有的能量只有静能(根据爱因斯坦的质能关系公式,静能为m1c2),然后它衰变为粒子2和粒子3。每一个粒子都具有静能和动能。既然能量是守恒的,那么

粒子1的静能 = 粒子2的静能 + 粒子2的动能 + 粒子3的静能 + 粒子3的动能

粒子2和粒子3的动能肯定不为零(如果都为零,那么这两个粒子会同时处在原来的位置,这并不是衰变,同样仍是一种状态“混合”现象),这样很显然m1c2肯定大于m2c2加上m3c2,从而m2加上m3必须小于m1。

既然光子是无质量的,那么它就无法衰变,因为要是衰变就会出现负质量的粒子,这是理论不允许的。所以这也就是为什么光可以穿越广袤的宇宙空间而不会变成其他的粒子的原因。同样,引力子也因这样的原因不会衰变,因为它也是无质量的。

3)衰变前后总电荷必须不变

这实际上的意思就是电荷守恒定律。一个W-粒子(传递弱相互作用的粒子)的质量很大,具有一个负电荷-e。它可以衰变为一个具有负电荷-e的电子和一个零电荷的反中微子。但是W-粒子不能衰变为一个具有正电荷的正电子和一个零电荷的中微子,因为这样总电荷就从-e变成e了。同样W-粒子也不能只衰变出一个电子和一个正电子,因为衰变后的电荷加一块儿就变成零了。

由于电子是最轻的带电荷的粒子,所以它不可能衰变成为其他的粒子。比电子轻的只有中微子、光子、胶子和引力子,但是它们都是电中性的,不管怎么组合,最终总电荷只能是零。另外,任何比电子更轻的未知粒子都必须是电中性的,否则在对撞机里我们就能发现电子会衰变出这样的带电荷的轻粒子,而事实上我们从未发现。

4)衰变前后“费米子”个数的变化只能是偶数

所有的粒子按照自旋数,都可大致分为费米子和玻色子(具体的内容请看小资料)。根据角动量守恒定律,衰变前后“费米子”个数的变化只能是偶数(具体的论证略复杂,这里就不再叙述)。按此规则,一个中子是不可能只衰变成一个质子和一个电子的。尽管这种衰变满足了前面所有的规则,但是它不符合这里的规则,因为这里所有的粒子都是费米子,中子衰变后,费米子增加了1个,不是偶数。

事实上,一个中子如果要衰变的话,除了会产生一个质子和一个电子,还会产生一个反中微子。而反中微子是一个费米子,这样费米子个数变化为2,是偶数。

那么为什么最轻的中微子是稳定的呢?宇宙中有三种中微子,都被认为具有一定的质量。质量最轻的那种中微子被认为是已知的最轻的费米子,比它更轻的粒子都是玻色子(例如光子和引力子)。所以它不能进行衰变,因为这个规则不允许一个费米子只变成清一色的玻色子。另外要说一句,我们之所以知道中微子的寿命超长,是因为我们在地球上就观测到了从宇宙深处的超新星爆发产生出来的中微子,它已经在宇宙中旅行了几百万光年。

5)衰变前后,总夸克个数减去总反夸克个数不能改变。

注意前面的4条规则总是成立的,因为是受到守恒定律的制约。而这第5条规则实际上的意思就是夸克数守恒定律(通常称为重子数守恒定律)被认为是近似成立的,也许会存在特殊的情况(如宇宙大爆炸初期)会出现违反这条规则的情况。

一个质子由三个夸克加上许多胶子组成,里面还会瞬间出现夸克和反夸克对,所以质子里夸克个数减去反夸克个数等于3。质子是具有夸克个数多于反夸克个数的最轻的粒子,所以根据这条规则和第2条规则,质子应该被认为是稳定的。很显然质子不能衰变成电子、光子、中微子等这样粒子的组合,因为它们都不含有夸克。而比质子轻的强子(强子是一种由夸克或反夸克构成的复合粒子),都具有等量的夸克和反夸克,这样正反夸克差值还是零。质子也不会衰变出这样的粒子。

但一些物理学家认为可能有极为罕见的情况会违反这条规则,这暗示着质子可能有一点不稳定,会发生衰变,尽管科学家到现在也没发现一个质子发生衰变。质子的寿命会十分地漫长,据推测它的寿命至少有1034年。而目前宇宙的年龄才约为138亿年,所以宇宙中大量的质子将会继续地存在下去。

当然还存在着一些其他的规则,不过大部分衰变现象只需上面几条简单规则即可解释。根据上面5条规则,我们就可以成功地解释我们日常生活中大部分粒子为啥是稳定的或者是很长寿的。不过除了一个粒子——中子。

中子是一种极为特殊的粒子。事实上没有一点规则可以阻止它进行衰变,事实也的确如此,一个自由的中子经过大约15分钟,会衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子。但奇怪的是,如果你把一个中子放在一个特定的原子核里,它就变得稳定了!中子为什么如此奇特?

费米子和玻色子

每一个粒子都具有被称为自旋的性质,虽然粒子并没有真的在旋转,因为它们都被认为是一个点而没有体积。自旋为整数的粒子都是玻色子,包括光子、胶子、W和Z粒子,引力子以及希格斯粒子等等。例如光子自旋为1,那么这就从另一方面代表着光子转一圈儿又变回原来的模样,引力子自旋为2,那么它转半圈就变回原来的模样。另外还有一批自旋为半整数的粒子,则被称为费米子,包括夸克以及由奇数个夸克构成的复合粒子(例如质子和中子),以及电子、中微子等等。例如电子自旋数是1/2,那么它得转两圈才能变成原来的模样。另外,要指出的是,所有观测到的基本粒子,不是费米子,就是玻色子。

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