粒子物理14｜汤川秀树预言π介子，μ子现身宇宙线（2） #科普 #在抖音学习

π介子的预言与缪子的发现

汤川秀树对π介子的预言

汤川秀树提出，核力的传递需要媒介粒子，即π介子。π介子存在三种电荷状态：中性π⁰介子（传递中子-中子之间的作用力）、带正电π⁺介子（传递质子-质子之间的作用力）和带负电π⁻介子。根据预言，产生π介子至少需要几百兆电子伏特的能量。

早期实验室寻找π介子的挑战

20世纪30年代，实验室的加速器能量不足，当时放射性元素释放的粒子能量仅为几兆电子伏特，无法满足产生π介子的能量需求。因此，在实验室中直接寻找π介子几乎不可能。

宇宙线：天然的高能粒子源

宇宙线是来自外太空的高能粒子流（主要由质子组成），当这些高能质子与大气中的氧气、氮气分子碰撞时，会产生新的粒子。由于越靠近碰撞地点（即海拔越高），发现新粒子的概率越大，粒子物理学家常将实验设备部署在高山上。

安德森与纳德梅逸的实验发现

1936年，安德森（曾因1932年在宇宙线中发现正电子获诺奖）与纳德梅逸将实验设备部署在洛基山脉的派克斯峰顶。1937年，他们在宇宙线中发现了一种新粒子：

• 带电性质：与电子类似，可带正电或负电；
• 质量：约为电子质量的207倍，被称为“长胖的电子”，最初被误认为是汤川预言的π介子。

缪子的性质与衰变

后续研究发现，这种新粒子与核子间作用力极弱（仅为电磁作用强度），并非π介子，遂更名为缪子（μ子）。其核心性质包括：

• 归属：属于轻子，自旋为1/2，与电子性质高度相似（仅质量不同）；
• 不稳定性：平均寿命约(2 \times 10^{-6})秒，衰变产物遵循电荷守恒和轻子数守恒：
  • 负缪子衰变：(\mu^- \rightarrow e^- + \bar{\nu}e + \nu\mu)（电子、反电子中微子、缪子中微子）；
  • 正缪子衰变：(\mu^+ \rightarrow e^+ + \nu_e + \bar{\nu}_\mu)（正电子、电子中微子、反缪子中微子）；
• 中微子关联：衰变过程中总是产生与自身相关的中微子（缪子中微子(\nu_\mu)），与电子中微子(\nu_e)仅“味道”不同。

轻子的分类

根据质量和“味道”，轻子分为两代：

• 第一代轻子：电子（(e)）和电子中微子（(\nu_e)）；
• 第二代轻子：缪子（(\mu)）和缪子中微子（(\nu_\mu)）；
• 区别：第二代轻子质量更大，其他性质（如电荷、自旋、相互作用等）与第一代完全一致。