粒子是永恒的吗—μ子寿命测试

随着我们逐渐了解更小的层次，我们会找到这些颗粒子不但存在期限，而且不同粒子之间的寿命相差还极大，有些只有不到万亿分之一秒，有些却比宇宙的寿命还要长。

1. “全新”的粒子？

在开始实验之前，我们先来理解一下微观粒子的寿命，因为它可能没有想象中那样简单，甚至有一些违反直觉。当我们说一个人的寿命，指的是这个人从出生到死亡所经历的时间。如果要统计一群人的平均寿命，只需要把他们去世时的年龄加起来，再除以他们的总人数就可以了。

2. 指数衰变规律

μ子的衰变与其他不稳定的粒子和放射性核素遵循同样的统计规律—指数衰变规律。究其原因，在于它们在单位时间内发生衰变的概率不随时间变化。考虑 t=0 时刻有N0个不稳定粒子，在任意时刻t剩余未衰变的粒子数为N(t)，那么在经过一个很短的时间微元 dt 后，将会有N(t)λdt 个粒子发生衰变，即

-dN(t)= N(t)λdt , (1)

-dN(t)/N(t)= λdt. (2)

对(2)式两边进行积分，得到

N(t) = N0e-λt, (3)

式中的倒数即为粒子的平均寿命τ=1/λ。注意不要把平均寿命与“半衰期 (T1/2)”弄混，它们之间的关系为T1/2= τln2 0.693τ。由(3)式可以知道，不稳定粒子的数量随时间按照指数形式减少。

3. 捕捉来自天空的μ子

弄明白了μ子平均寿命的概念以后，终于可以动手做实验了！我们首先面临的问题是，到哪里去寻找μ子？要知道在现实中可不存在出售μ子的卖家，也没有能装μ子的盒子。在之前课程中已经介绍过探测宇宙线次级粒子的探测器，这些探测器就能帮助我们捕捉到来自天空的μ子，现在简单回顾一下它的工作原理。

4. 找出衰变的μ子

对于那些能量直接穿透闪烁体的μ子，探测器只记录到了它们进入的时间，但我们只对那些碰巧停留在闪烁体中并衰变了的μ子感兴趣。闪烁光电探测器无法明确地区分一个不明的信号是由μ子还是米歇尔电子产生，它们被一定程度地当作两个独立的事例分门别类地记录下来。

5. μ子为什么能穿过大气？

在测得μ子寿命以后一个新的问题又出现了，那就是既然μ子的寿命如此之短，它们是怎么穿过大气层到达地面的呢？这样我们立刻就能算出从μ子产生到落到地面一共需要经历大约 100 微秒的时间，这几乎是它们平均寿命的 50 倍，按照公式(3)计算，μ子应该只有大约 10-20的几率到达海平面，但实验测量结果却远大于这一预期，这又是怎么回事呢？

这个疑难只能用爱因斯坦的狭义相对论来解释。根据狭义相对论的钟慢效应，在以地面为参照系的观察者看来，以接近光速运动物体的时钟会变慢，因此高能μ子的寿命会远大于 2.2 微秒，使它们有足够的时间抵达地面。也可以换一个思考方式，如果以μ子作为参照系，虽然它自己的寿命还是2.2微秒，但是由于狭义相对论的尺缩效应，数十公里厚的大气层缩短到了只有几百米，μ子在衰变之前还是有很大概率穿透它。事实上，大量μ子能穿过大气层到达地面，一直被当作是狭义相对论的有力证据之一。不过，科学家发现，即使是最小的粒子，也可以通过引力作用穿过大气层，这意味着它们的质量可能比我们想象的要大得多。

（编辑：银川站长网）

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