粒子物理14｜汤川秀树预言π介子，μ子现身宇宙线

你小时候玩过积木没有？没玩过积木也应该用砖块搭过房子吧！好，那我们现在想象一个这样的场景，当你买回来一套积木以后，费了九牛二虎之力终于把它们拼在了一起，搭建了一个漂亮的房子。

但是最后却发现，还剩下一块积木没有用到，你研究了一会，就发现这块积木是其中一块积木的放大版，也就是说，剩下的这块积木跟其中一块积木的样子一模一样，感觉像是重复了，区别是剩下的这块积木更重一点，体积更大一点，和其他积木看起来不协调。

这时你肯定会认为，这块积木一定是多余的，它不应该存在，肯定是在生产的时候被混了进来，随后你又买了几套积木，却发现每一套都是这样的，这你就解释不清楚了，你说一个不应该存在的东西，为什么它却真实的存在。这就是我们宇宙的真实情况，造物主就是生产积木的那个人，多余的那块积木就是我们今天的半个主角μ子。

要说μ子，还得从π介子说起，要说π介子，我们就必须先提到核力，这前面文章我们已经说了，在查德威克1932年发现中子以后，这人们就想，你说这是哪种力量可以抵抗质子之间的静电斥力，把它们黏在一起，那没过多久海森堡就说，我认为：把原子核黏在一起的力，是质子和中子交换电子产生的。

这个说法根本没站住脚，很快就被实验给否定了，因为人们发现质子和质子之间没有电子，但是他俩之间的作用力，跟质子和中子之间的作用力一样强。所以人们就认为核力跟电荷没有关系，而是一种比电磁力强得多的新型力，所以就将这种力称为强力。

到了1935年的时候，日本的汤川秀树就说，传递核力的粒子确实不是电子，因为我发现这电子太轻了，传递核力粒子需要比电子重200到300倍，这是一种我们以前从来没有发现的粒子，由于它的质量介于轻子和重子之间，所以就叫它介子，在随便拿出一个希腊字母，就叫π介子。

所以现在核力传递过程现在就变成了，一个中子发射一个π-介子，变成了质子，然后一个质子吸收这个π-介子，变成了中子，那么在发射和吸收π-介子的过程中，就交换了作用力，就将核子黏在了一起。

先不管这个过程对不对，那问题是汤川是怎样知道，传递核力的粒子需要比电子重两百多倍的？这是最关键的问题。

大家还记不记得在量子力学中有一个测不准关系，这是两个共轭变量必须满足的关系，比如能量和时间就是两个共轭变量，因此ΔEΔt≥ћ/2

ΔE是能量的不确定范围，Δt是时间的不确定范围，如果π介子作为传递核力的粒子，那么它传播的最大范围就是原子核的尺度，大约是10^-15米。

如果π介子诞生以后的速度接近光速，那么我们就能知道它在原子核内存在的时间大约为10^-15米/C，C是光速，这个算出的就是π介子存在的时间的不确定范围。

现在我们知道了Δt，那就能根据测不准关系，算出ΔE的不确定范围，因此汤川就估计出π介子的质量大约是电子的200到300倍。

这汤川还说，不光有π-介子，还有π0和π+介子，其中π0是负责传递中子和中子之间的作用力的，因为两个中子不带电，所以就需要一个中性粒子π0.

π+传递的是质子和质子之间的作用力，因为两个质子都带正电，所以需要一个带正电粒子π+介子，这就是汤川秀树对π介子的预言。

同样的，别人现在预言了新的粒子，那实验物理学家就需要寻找这种新粒子，不过在当时的实验室并没有一个像样的加速器，而根据预言想要产生π介子至少要有几百兆电子伏特的能量，而当时常用放射源释放出来的粒子的能量也只有几兆电子伏特。

所以想在实验室找到π介子基本上是不可能的，不过，在粒子对撞机做出来以前，大自然就已经给人类提供了一个高能粒子设备，就是宇宙线。

这些宇宙线是来自外太空高能粒子流，基本上都是由质子组成的，这些能量极高的质子撞上大气中的氧、氮分子以后就会产生一些新的粒子。

所以当时粒子物理学家的实验场所都在山上，因为越往高处走越靠近碰撞的地点，发现新的粒子的机会就更大。

1936年安德森和纳德梅逸就把实验设备装在平板车上，拉到了落基山脉的派克斯峰的峰顶，安德森之前已经在宇宙线中尝到了甜头，因为他在1932年的时候就在宇宙线中发现了狄拉克预言的正电子，获得了诺奖。

所以他这次的目标也很明确，就是奔着π介子去的，到了1937年时候，他俩就在宇宙线中发现了一种新粒子，他的行为跟电子的行为很像，根据电磁偏转可以知道它跟电子一样，也带负电，也可以跟正电子一样，带正电。并且测量出了它的质量是电子207倍。

除了质量的差异以外，这东西完全就是长胖以后的电子，所以当时人们先叫它重电子，后来觉得这个名字不好，而且当时觉得从质量上看，这有可能就是汤川预言的π介子，所以就先简称它为介子。

不过很快人们就发现，这种新粒子与核子之间作用力很弱，只有电磁作用力的强度，很明显，这种新发现的粒子并不是汤川预言的π介子，因此就把这种新粒子更名为μ子。

现在我们知道μ子，确实不是所谓的介子，它属于轻子，跟电子一样自旋是1/2，就像前文说的，电荷和电子的情况一样，完全就是吃胖了以后的电子，除了质量的差异以外，它几乎跟电子一摸一样。

还有，μ子它不稳定会，在2×10^-6秒发生衰变，比如一个负μ子，它会衰变成一个电子，一个反电子中微子，一个缪子中微子。

一个正缪子会衰变成一个正电子，一个电子中微子，一个反缪子中微子。可以看出以上的两个反应其中的电荷和轻子数都是守恒的。

也可以看出缪子在衰变的过程中，总是会产生一个和它相关的一个中微子，所以我们叫它缪子中微子，缪子中微子跟电子中微子一样，只是味道不同，还有电子中微子总是跟电子相关，那缪子中微子总是跟缪子相关。

到这里我们就已经知道了四个轻子了，其中电子和电子中微子称为第一代轻子，缪子和缪子中微子称为第二代轻子，这第一代轻子和第二代轻子的唯一区别就是第二代更重一点，其他所有的性质都是一样。这就像是，这个世界上有两个你，另外一个你它的体重是你两百多倍，除了这个差别以外，你俩是一模一样的。

可以看出这基本粒子出现了重复的现象呀，就像我们刚开始说的积木一样，有第一代轻子就已经足够了，第二代完全就是多余的，当然现在我们知道还有第三代轻子，它们是陶子和陶子中微子，目前科学家并不知道为什么基本粒子会重复的出现，为什么会有三代，而不是两代、四代、五代？这些都是未解之谜。

所以说发现新的基本粒子，科学家并不高兴，他们很讨厌出现新粒子，就像1955年的时候，物理学家兰姆在发表诺奖演说的时候就说，刚开始的时候如果你发现了新粒子肯定会获得诺奖，现在如果有人再发现了新粒子，应该先罚个10000美元再说。这足以见得这些粒子已经快把物理学家逼疯了。

好，现在我们发现了μ子，但是依旧没有找到π介子，那π介子到底存在不存在？这汤川就有点着急了，他就说，大家信我，这π介子一定存在，而且我估计这μ子就是π介子衰变以后产生了，所以大家在往高处走一走，再找一找。

1947年，英国物理学家鲍威尔和他的团队，将探测器绑在热气球上送到了高层大气中，果真在其中发现了π介子的身影。

它的质量是电子的273倍，从实验中可以看出π介子确实是从强相互作用中直接产生的，所以它就是汤川所预言的粒子。

不过π介子跟μ子都不稳定，会在2.6×10^-8秒发生衰变，比如一个π+可以衰变为一个正缪子和一个缪子中微子，一个π-可以衰变为一个负缪子和一个反缪子中微子。

在以上的过程中，生成的缪子不稳定，还会继续经历衰变，差不多就在同一时间，人们也发现了汤川预言的π0介子，电中性，它的质量是电子的264倍，平均寿命更短大约为0.84×10^-16秒，然后就衰变成两个伽马光子了。

从衰变的产物就可以看出π0介子的衰变是电磁力主导的过程，由于电磁力比弱力强得太多了，所以由它主导的衰变过程的时间要比弱力主导的衰变要短。在后面我们还会遇到由强力主导的衰变，这个时间会更短。

可以看出，粒子物理发展到了现在的阶段，新的粒子不断地在出现，而且除了以前我们认为的β衰变以外，又多了几种衰变方式，你看π介子的衰变，缪子的衰变。所以这时人们就觉得理解由弱力主导的衰变非常的重要，这也就加快了人们对弱力的研究。

当然强力也是人们思考的问题，不过这个时候还不是重点，因为我们还没有彻底地揭开强子的内部结构，依旧把质子和中子，包括新发现的π介子，当成了基本粒子，所以才会提出π介子的预测，没想到这东西还真的存在。大自然真是奇妙。

再补充一点，刚才我说的强子的意思是，参与强子相互作用的粒子都叫强子，其中就包括重子和介子。

在前面的文章中我们说了，参与强相互作用的粒子还有一个特别重要的量子数叫同位旋，质子和中子的同位旋是1/2，在同位旋空间的投影，质子是朝上的也就是+1/2，中子是朝下的也就是-1/2，两个投影分别代表了两种电荷状态。

那π介子也有同位旋是1，分别有三个投影，+1，0和-1，分别代表了三种π介子的电荷状态，π+、π0和π-，这个记住就可以了，后面会用到。

好了，那今天的内容就到这里，下节课我们就会看到强子大爆发。