§12 奇异粒子和奇异数

奇异粒子

1947 年，罗彻斯特（G。Rochester）和巴特勒（C。Butler）在宇宙线实验中首先观察到了后来被称为奇异粒子的一类粒子，但是只有在加速器实验中大量产生了奇异粒子后，它们的“奇异”特性才充分地展现出来并得到系统的研究。这些新粒子有一些重要的、过去已发现的强子所没有的奇异特性，所以被统称为“奇异粒子”。在这以前已经发现并已被熟知的核子和π 介子等强子则统称为普通强子，普通强子和光子、电子、正电子、μ子、中微子、反中微子等合起来统称为普通粒子。奇异粒子具有以下几个明显的特性：

它们是协同产生、独立衰变。也就是在高能粒子的碰撞过程中至少两个奇异粒子一起产生，然后每个奇异粒子再分别独立地衰变掉，最终衰变成的粒子都是过去已知的粒子，即普通粒子，而不再有奇异粒子了。
它们是快产生、慢衰变。也就是说奇异粒子产生于粒子的高能碰撞，碰撞经历的时间数量级为 10-24s，而它们衰变的平均寿命则长得多，时间数量级为 10-10s 或更长，两个时间数量级的差别约为 1014 倍。

1953 年美国物理学家盖耳-曼（Murray Gell-Mann）和日本物理学家中野董夫、西岛和彦彼此独立地提出奇异粒子的这些特性可以用客观上存在一种新的守恒量子数来概括。这种新守恒量子数称为奇异数，它只能取整数值。过去熟知的普通粒子的奇异数都定为零。奇异粒子的奇异数不为零。在强相互作用和电磁相互作用过程中，奇异数守恒，在弱相互作用过程中，奇异数可以不守恒，也就是说在弱相互作用过程中奇异数可以不改变，也可以改变 1。奇异粒子的产生是通过强相互作用的碰撞来实现的，碰撞的整个过程时间很短。由于实验只能通过普通粒子的碰撞来实现，所以强相互作用过程中奇异数守恒决定了末态中奇异粒子必须协同产生，这样才有可能使产生的奇异粒子的奇异数互相抵消。奇异粒子的衰变是通过弱相互作用实现的过程，因为相互作用很弱，所以需要的时间较长，但不再要求奇异数守恒了，这样每一个奇异粒子可以分别独立地衰变成几个普通粒子。

因此，奇异粒子“奇异”性质的来源在于奇异数 S 的近似守恒性质：对于强相互作用和电磁相互作用过程，△ S=0；对于弱相互作用过程，|△S|=0， 1。