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基本粒子17︱共振子大量出现,不稳定粒子的寿命如何测量?

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上节课我们说了,人们在宇宙线中发现了两类粒子,一类是K介子,包括K+、K0、反K0和K-,一类是重子,包括Λ、Σ+、Σ0、Σ-、和Ξ0 、 Ξ-,再加上我们以前就知道的两个重子:质子和电子,以及三个π介子:π+、π0和π-,这些粒子都属于强子,因为它们都参与强相互作用,所以我们叫它们强子

其中除了质子以外,剩下的粒子都不稳定,都会发生衰变,有些寿命长,有些寿命短,比如中子在其中的寿命最长,平均能存活12分钟左右,最短命的粒子是∑0,它的寿命只有7.4×10^-20秒。

这么短的时间,是完全没有办法直接测量的,就算是∑0从诞生以后就以光速在飞行,它能飞的距离也会小到无法测量,那问题是既然都没有办法测量,那我们又是如何知道这些短寿命粒子的寿命的?

其实这些粒子的寿命还不算最短,看过前面内容的同学应该还记得,一个粒子在衰变的时候它的产物中如果有轻子,比如有中微子的参与,我们认为这是由弱力控制的衰变。

如果衰变产物中有光子的参与,我们就认为这是由电磁力控制的衰变,如果衰变产物中只有强子,那我们认为这是由强力控制的衰变。

由于强力是作用力中最强的,所以由它控制的衰变会非常的剧烈,换句话说就是这种粒子的寿命会更短,能够达到10^-24秒~10^-22秒,这个区间。

那我们上面说的那些强子不是由弱力控制的,就是由电磁力控制的衰变,那接下来我们要提到的粒子就是由强力控制的衰变。

这些粒子发现的时间大约是在上世纪的50年代初,人们在用π+介子撞击质子的时候就发现,随着π+能量的增加,碰撞的截面会不断地提高,但是当π+的能量达到一定的程度以后,碰撞截面就会下降。

如果我们以π+介子和质子的总能量作为横坐标,把π+和质子的碰撞截面作为竖坐标,把上面的关系体现在坐标图上就是我们现在看到的样子。

图中的实线就是π+介子和质子的碰撞截面,随着总能量变化的曲线,可以看出

,曲线在能量为1232Mev的附近出现了明显的高峰,这个峰就意味着有新粒子的诞生,也就是说,π+和质子散射过程其实是这样,在能量为1232Mev的情况下,质子会先吸收π+介子,然后变成一个新粒子,这个新粒子又会在极短的时间内衰变变回π+和质子。

这个新粒子被取名的Δ++,那为什么是两个加号呢?因为它携带两个单位的正电荷,那这个粒子的质量是多少?其实就是1232Mev,因为知道π+和质子总能量正好等于这个能量时,才会诞生Δ++。

那这个粒子的寿命是多少?像刚才说的,这我们没办法直接测量,但是我们可以算出来,还是刚才那张图,如果你仔细看的话,就会发现产生Δ++的峰并不是尖锐的,而是圆滑的且有一定的宽度,那这个峰的宽度所对应的能量大约就是120Mev,这就说明Δ++的能量的不确定范围是120Mev了。

这个不确定范围,是不是听起来很熟悉,是不是想到海森伯的不确定性原理,能量的不确定范围乘以时间的不确定范围要大于等于h把/2。因此我们就能知道Δ++的寿命就是5.7×10^-24秒,这就是我们测量短寿命粒子的方法。

那从图中还可以看出,虚线是π-介子和质子的碰撞,它在同一能量处也有一个峰,说明这也产生了一个新粒子,且这个新粒子的质量跟Δ++差不多,这种新粒子叫Δ0。

然后我用π+撞中子,发现了Δ+、用π撞中子发现了Δ-,齐活了!我们发现了Δ++、Δ+、Δ0和Δ-,很明显根据以往的经验,这又是同一种粒子的不同电荷状态,也就说这四种粒子够了一个新的电荷四重态,它们的自旋为3/2,同位旋也是3/2,同位旋第三分量分别为+3/2、+1/2、-1/2和-3/2。

这只是四种新粒子,那到了60年代初,人们就在粒子的散射中发现了大量的新粒子,一时间希腊字母都不够用了,它们都是强子,数量多达三百多种。

下面我们就说下几种常见的强子,其中有九种介子,这些介子的自旋为1,称为矢量介子,包括ρ+、ρ0、ρ-、K*+、K*0、K*0、K*-、ω和ф。

可以看出,其中ρ+、ρ0、ρ-,这是三个电荷多重态,同位旋是1,I₃分别是+1、0和-1,K*+、和K*0,是两种电荷状态,同位旋是1/2,I₃分别是+1/2和-1/2.

反K*0、K*-是两种电荷状态,同位旋也是1/2,I₃也是+1/2和-1/2,ω和ф没有电荷多重态,它们的同位旋为0。

除了这九种矢量介子以外,还有九种重子,包括Σ*-、Σ*0和Σ*+,还有Ξ*-和Ξ*0,当然也包括我们上说的Δ++、Δ+、Δ0和Δ-。这九种重子的自旋都是3/2,重子数为1。

同样的我们也能够知道,这Σ*-、Σ*0和Σ*+是同一种粒子的电荷三重态,同位旋是1,I₃分别是+1、0和-1。

Ξ*-和Ξ*0是同一种粒子的电荷二重态,同位旋是1/2,I₃分别是-1/2和+1/2。通过上节课我们说的定义奇异数的公式,S=2(Q-I₃)-B,我们也可以算出这个粒子的奇异数,同时也能算出它们的超荷数。

好,现在我们就把一些常见的强子就说完了,那知道了这么多的强子,它们是不是所谓的基本粒子呢?这科学家肯定不相信这是基本粒子,因为这些粒子数量太多了,造物主创造的世界不可能这么杂乱无章的,因此接下来的工作就是揭开强子内部的结构之谜,那最重要的突破点就是我们一直强调的量子数,这就是为啥我一直在说什么同位旋啊、奇异数、I₃,因为这些粒子的量子数之间有着非常强的对称性,从中我们就能看出一些规律,那些下节课我们再说有这些强子构成的八重态和十重态。

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