寿命和宽度

现在已经发现的粒子共有 452 种，在这些粒子中，除了光子、电子、正

电子、质子、反质子、三种中微子和三种反中微子等 11 种是稳定的外，其余都是不稳定的，它们产生后经过一段时间就会自动“衰变”成两个或更多个其他类型较轻的粒子。粒子产生以后到衰变前存在的时间就是这个粒子的寿命。然而当粒子作高速运动时，由于相对论的时钟延缓效应，观测到的粒子的寿命比它静止时要长。反映粒子不稳定性的物理量是粒子静止时的寿命， 所以实验上测定了一个运动粒子在衰变前存在的时间，首先要根据相对论换算成粒子静止时存在的时间。即使是这样，测量许多个同一种粒子在静止时的存在时间也是各不相同的，一般来说，存在时间短的粒子比较多，存在时间长的粒子比较少。这并不说明它们是不同类型的粒子，粒子的不稳定性表现为在它存在的任意时间间隔里都有一定的概率衰变掉。

静止的不稳定粒子在单位时间内衰变掉的概率称为粒子的宽度，这也就是测定不稳定粒子质量值分布时得到的宽度，它的倒数是不稳定粒子静止时的平均存在时间。测量某种粒子的寿命时，必须测量许多个同一种粒子在静止时的存在时间，再求出它们的平均值。不稳定粒子在静止时的平均存在时间称为平均寿命，简称寿命τ。由于不稳定粒子的宽度和寿命有密切的联系， 它们的乘积等于 1，即τΓ=1。这个重要的性质决定，不稳定粒子的寿命既可以直接测定，也可以通过测量质量分布宽度而间接确定。稳定粒子的寿命是无穷大，中子是已知的不稳定粒子中寿命最长的粒子，它的寿命是 887.0 秒。不稳定粒子的寿命也分布在一个很大的范围内，Z 粒子是宽度最大的粒子，它的寿命也最短，其值为τ=2.643×10-25 秒。

粒子的质量和寿命是粒子的最重要的基本属性，粒子的寿命又等于粒子质量分布宽度的倒数，粒子的质量和寿命有紧密的联系，它们常常是判断和辨认粒子的依据。

如果粒子的寿命很长，在它产生后可以存在一段时间，在空间中走一段距离。可以在这段时间里观测它的许多性质，例如粒子的电荷、能量、动量、存在时间等，就可以推算出粒子的质量，并估计出粒子的寿命。这样再和已知的各种粒子的性质比较，就可以判断这个粒子是哪种粒子。如果实验中观察到的一个粒子，这样得到的粒子性质和已知的所有粒子的性质都对不上， 就可以判断发现了一种新粒子。在这种情况下，即使只观察到很少的事例， 甚至只有一个事例，只要测量是可靠的，也可以做结论说“发现了一种新粒子”。在这种情况下，测出新粒子的质量值是比较准的，如果事例数少，定出的新粒子的寿命的误差会比较大，因为粒子的寿命本身就是指平均寿命， 需要事例数比较多时才能定得准。

许多长寿命的粒子，特别是长寿命的带电粒子都是这样地被发现的，例如正电子、μ子、π介子、Ω-重子的发现都是根据几个事例做结论的。

能够这样被发现的新粒子的寿命不能太短，至少要能在存在的时间内在空间中走一段宏观上可测量的径迹，这样才能首先显示这个粒子确实存在

过，并提供直接观测粒子电荷、能量、动量、寿命等性质的条件。现在记录带电粒子运动径迹最精细的探测设备是核乳胶，它可以探测粒子的最短寿命是 10-13 秒。寿命比这个更短的粒子就不能通过径迹探测的办法来直接探测和发现。

现在已经发现的 452 种粒子中，绝大多数粒子的寿命远比 10-13 秒要短得多，这些粒子的发现都不是通过直接测量径迹的方法，是通过种种间接测量的方法发现的。其中一种重要的方法是不变质量分析的方法，大量的不稳定的介子和重子都是运用这个方法通过实验发现的。

短寿命的粒子产生后不久很快就衰变，转化成为两个或多个其他类型的粒子。由于衰变前没有走出可以观察到的径迹，没有信息可以肯定地判定这个粒子是否确实存在过。如果这粒子确实存在，并且很快衰变为几个其他类型的粒子，那么只要把这几个粒子的能量加起来，就应当等于衰变前粒子的能量。同样地把这几个粒子的动量矢量加起来，就应当等于衰变前粒子的动量。从衰变前粒子的能量和动量就可以推算出衰变前粒子的质量。这样得到的“质量”值称为这几个粒子的不变质量，它的物理意义是如果这几个粒子是由一个不稳定粒子衰变而来的，则这个不稳定粒子的质量就应该是这个不变质量。但是这里并没有说明这个不稳定粒子是否确实曾经存在过。

对于一个事例确实不能做任何判断。但如果观察了同一类的大量事例， 就可以对每一个事例都算出同一组粒子的不变质量。如果在这些反应事例中，实际上并没有出现过这种不稳定粒子，则各事例算出的不变质量值是分散的，形成一个平滑的分布（如图 5-1（a）所示）。如果在这些反应事例中， 实际上都出现了这种不稳定粒子，则各事例算出的不变质量值应集中到一个值附近处，形成一个高峰状的分布（如图 5-1（b）所示）。如果在这些反应事例中，实际上有一部分事例中出现过这种不稳定粒子，则各事例算出的不变质量值是既分散又有一定程度的集中，形成在一个平滑的分布的基础上又有一个高峰状的分布（如图 5-1（c）所示）。这样通过大量事例一起分析就可以判断在所进行的粒子碰撞反应中是否出现过某种不稳定粒子，如果出现过，还可以定出来粒子的质量、宽度、粒子衰变成哪些粒子、出现的事例数占总事例数的百分比。

如果这样定出来在反应中出现过某种粒子，而这种粒子的质量、宽度、衰变行为都和已知的各种粒子不同，就可以判断发现了一种新粒子。这种分

析探寻新粒子的方法

就是不变质量分析方法。这种方法得到明确结果的前提是有大量的事例，事例数不够多时，难以对新粒子的存在作出确切的判断。