基本粒子17︱共振子大量出现，不稳定粒子的寿命如何测量？

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。