为什么说μ子可以验证狭义相对论？并可能创造出更大的粒子加速器

介子（μ介子，μ介子）是一种基本粒子，带单位负电荷，自旋为1/2。介子具有与属于轻子的电子和陶子相似的特性。到目前为止，还没有发现具有任何内部结构的轻子。

在整个宇宙中，我们自然观察到的一切都由相同的几个粒子组成，包括质子、中子、电子和光子。当然，自然界中还有大量的中微子和反中微子，一些超大质量的暗物质粒子，还有大量存在于极短时间内的不稳定的高能粒子。我们今天要说的介子就是其中之一！

宇宙射线撞击地球大气层后，在100公里外会产生高能粒子团，其中包括介子，但介子不稳定，仅需2.2微秒便会衰变。即使以光速行进，也只能行进660米，根本不够到达地球表面，但由于相对论，在我们外部观察者看来，时间膨胀效应大大延长了μ子的飞行距离，使我们能够在地面上探测到它。

那么问题来了：μ子到达地面的相对论效应被我们这些外部观察者看到了，μ子自己又是如何看到这一趟的呢？

μ子的来源

我们所知道的一切，所有的原子，分子，行星，恒星，星云和星系，这些物质都是由几个已知的基本粒子组成：光子，电子，胶子和上下夸克，组成质子和中子。宇宙中的中微子和反中微子目前很少相互作用（这与它们自身的能量和反应截面有关），而暗物质，它们之间只有引力相互作用。

所有其他存在的剩余基本粒子，以及所有其他可以被创造的粒子，本质上是不稳定的，这意味着它们会随着时间衰变成更轻、更稳定的粒子。

在所有不稳定粒子中，μ子是比较稳定的，平均可以存在2.2微秒，比其他任何不稳定粒子都长一个数量级。介子有点像电子的近亲，具有所有相同的属性：

轻子数、

电荷、

自旋、

磁矩、

，除了它的质量是电子的206倍作为一个电子，会在短时间内衰变成一个电子和两个中微子。

这些μ子起源于大气层的顶部，因为宇宙的高能粒子（宇宙射线）一直在撞击我们的大气层，宇宙射线主要是质子，但它们以极高的能量进入大气层，当它们撞击上层大气当粒子中的原子存在时，粒子群会自发地出现，包括物质-反物质对，以及重而不稳定的粒子，例如介子，然后它们会衰变产生μ子。奇怪的是，如果你现在伸出你的手掌，每秒大约有一个μ子通过你的手掌。为什么

介子会在有限的生命周期内到达地面？

新粒子的产生现在对我们来说并不奇怪，因为E=mc^2，只要两个粒子以足够高的速度碰撞，就可以自发地产生新的物质粒子（这是为了原理碰撞）。但奇怪的是，即使μ子以接近光速（300,000公里/秒）的速度运动，它们的寿命也只有2.2微秒，并且在衰变前只能行进约660米。

而这些介子是在大气层100公里左右，也就是10万米高的地方产生的！所以在我们看来，介子永远不会掉到地上。然而，相对论告诉我们，当物体接近光速时，它们的时间会变慢。

从外部观察者的角度来看，以99.9995%光速运动的μ子以静止μ子速度的1/1000流逝。所以平均而言，μ子在衰变前可以移动660公里，而不是660米。对于平均寿命为2.2微秒的μ子来说，这种差异意味着它有86%的几率击中我们的手掌。没有时间膨胀，几率只有1/10^66。

那么介子是如何感知相对论效应的呢？因为，在它的参照系中，μ子通常会感觉到时间的流逝，它是在大气层的顶部产生的，并且必须一直到达地面。但是“一直到地面”对介子的意义与对我们的意义不同！

这里要强调一下，相对论之所以有相对这个词，是因为相对论中的时间效应是相对于他人的，而不是我们自己感受到的效应。例如，如果我们以光速旅行，别人会看到我们的时间变慢，但对我们自己来说，我们的时间速度不会改变。你可以活一百年或一百年，但你的百年可能对一个外部观察者来说是几百年。

当μ子正常经历时间流逝时，它也看到周围的世界以99.9995%的光速向它移动。除了时间膨胀之外，μ子还受到长度收缩的影响，这意味着μ子必须行进的100公里在它看来是一百公里的千分之一，即100米。所以从μ子的角度来看，它有86%的几率在衰变前到达地面。

μ介子的相对论效应还可以带给我们另一种可能性：如果我们将μ介子加速到接近光速的速度，我们就可以延长它们的寿命，那么我们就可以用它来构建终极粒子加速器/对撞！

介子将为下一代粒子加速器带来希望

为什么这么说呢？现在的加速器无论是大型强子对撞机（LHC）还是之前的大型电子对撞机（LEP），它们分别加速两种带电粒子，电子和质子。

我们都知道带电粒子在圆形磁场中加速时，会以电磁波的形式发射同步辐射，失去能量。当速度达到一定水平时，损失的能量将与加速器提供的能量相平衡。如果超过这个速度阈值，那么损失的能量就大于加速器提供的能量，所以这就成为粒子加速器加速粒子的障碍。

同步辐射损失的能量与带电粒子质量的四次方成反比，也就是说带电粒子的质量越小，损失的能量越多，电子最轻带电粒子，所以我们后来选择质子作为加速粒子，因为质子的质量是电子的1836倍。但质子也有其缺点。质子不是基本粒子，而是由夸克和胶子组成。当它们碰撞时，这些基本粒子会分散一部分能量，碰撞后的景象可以说是混乱的，产生大量的“粒子碎片”，我们要在其中寻找新的粒子，就像寻找一个大海捞针。

介子的性质介于电子和质子之间，质量是电子的206倍，可以减少同步辐射；而μ子是基本粒子，碰撞时不会有能量色散。它也不会产生大量的颗粒碎片。之前反对μ子加速器不可能的理由是它的极端寿命，但相对论完全解决了这个问题。

圆μ子加速器/对撞机很可能是未来粒子加速器的一个方向，有望超越大型强子对撞机，进入下一个宇宙可探测领域。