张笑鹏 刘 佳

(中国科学院高能物理研究所 100049)

朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋，花草树木、虫鱼鸟兽，甚至地球、太阳、恒星以至宇宙都要经历诞生和死亡，生老病死似乎是我们这个世界的一条基本规则。那么，组成物质世界的微观粒子，也有寿命的概念吗？随着对微观世界认识的加深，人们发现，粒子不仅有寿命，而且不同粒子之间的寿命相差还极大，有些只有不到万亿分之一秒，有些却比宇宙的寿命还要长。微观粒子的寿命与物理学基础理论密切相关，是粒子物理学家十分关心的物理量。测量粒子的寿命并不是一件遥不可及的事情，我们利用“校园宇宙线”实验课程的探测器，就可测出μ子的寿命。

1.“全新”的粒子？

在开始实验之前，我们先来理解一下微观粒子的寿命，因为它可能没有想象中那样简单，甚至有一些违反直觉。当我们说一个人的寿命，指的是这个人从出生到死亡所经历的时间。如果要统计一群人的平均寿命，只需要把他们去世时的年龄加起来，再除以他们的总人数就可以了。对于微观粒子来说，它的“死亡”其实就是衰变，也就是自发地转变为其他种类的粒子。以μ子作为例，μ子有带负电的μ-和带正电的μ+两种，它们除了电荷不同外其他性质都一样。μ-自发衰变时会变成一个电子(称为米歇尔电子)，同时产生一个μ中微子和一个反电子中微子[1]：

而μ+自发衰变时会变成一个正电子，同时产生一个反μ中微子和一个电子中微子：

考虑到每个μ子的寿命可能各不相同，所以你会想到测量很多个之后求平均值。……