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7 无穷小中的（第2页）

这种完全随机的机制让粒子的生死与生命体非常不一样。如果人口的预期平均寿命是80岁，那小时候就死去的概率会很低，随着年龄增长，死亡概率也增高，接近平均寿命时死亡概率达到峰值，随后又陡然下降。许多人能活得很久，有些还会成为百岁老人，但谁也不能活上几百年。基本粒子就不一样了，衰变概率不随时间变化，许多粒子会立刻解体，但也有些走运的粒子能活5个甚至10个平均寿命。

不稳定次原子粒子的平均寿命取决于让它们衰变的力，力越强平均寿命越短。最走运的、活得最久的是弱力作用下衰变的粒子，它们能存在大约10-6到10-13秒。如果衰变由电磁力导致，粒子的平均寿命就会下降到大约10-16到10-20秒。如果衰变由强力导致，粒子寿命则可短至10-23秒左右。

是什么在控制这些现象？是否有一个内部时钟？这些都不知道。我们只知道衰变是随机过程，受能量涨落控制，而能量涨落与粒子的量子行为有关。这些粒子瞬间出现又瞬间消失，100年前我们甚至都还忽略了它们，但事实证明，它们对于理解控制物质的法则至关重要。在大爆炸之后的极端条件下，就是它们充满了初生的宇宙。在实验室研究它们，就可以知道宇宙诞生之初发生了什么，以及在形成今天这些稳定物质之前它们又经历了哪些转变。最重要的是，这个不稳定而瞬息万变的世界，让我们掌握了物质基本粒子的深层对称。如果没有这些“鬼魂”的帮助，科学家就会像哈姆雷特一样，永远无法明白究竟发生了什么。

渺子勇猛的一生

渺子和电子一样是带电粒子，所以会受到电磁场的影响，但是，由于它的质量大约是电子的200倍，因此其加速度要比电子慢得多，也很少放出光子。渺子比电子更能穿透物质，穿透性仅次于不带电、只和物质有弱相互作用的中微子。渺子可以不受阻碍地穿透几千米厚的致密岩层，要想截获它们总是很难。

渺子穿透力的限制之一是它的不稳定性——它会衰变成电子和中微子。因为使其衰变的是弱相互作用，所以渺子的平均寿命相对较长，有2。2微秒（1微秒等于百万分之一秒）。这看似很短，但相对于其他不稳定粒子来说可算是长命百岁了。当它们以接近光速的速度运动时，就会变得所向披靡，也大有用途。由于渺子的质量大约相当于0。1GeV，所以加速到接近光速相对容易，这时，其平均寿命也会大幅增加。

最常见的近光速渺子来自宇宙射线，能几乎不受阻碍地穿过我们，就像看不见的细雨从四面八方而来。它们由高能质子产生，这些质子走过宇宙深空，与离地面15到20千米的大气层外层中的原子撞击而产生这些渺子。不过，若没有很强的相对论效应，这些渺子也绝不可能到达地面，就算以最高速度（光速）运动，它们也跑不过700米。但是，我们在海平面甚至地下深处的洞穴中却能探测到稳定的渺子流。这是对狭义相对论的又一有力印证。高层大气中产生的渺子中，有将近一半以99。9%以上的光速运动，因此，它们的寿命是其平均寿命的25倍，可以毫无问题地穿过16千米以上的大气层。通常在它们的参照系中，时间不会改变，衰变还是按照2。2微秒的平均寿命规律地进行，但对于从外部观察的我们来说，它们的存在时间被拉长了。这就是为什么就算我们在沙滩上晒太阳，或在日内瓦附近地下100米进行紧凑渺子线圈（uonSolenoid，缩写为CMS）（3）实验的洞穴里工作，也会有一部分渺子能来到我们身边。

我们可以想象乘着渺子飞翔，就像斯坦利·库布里克的电影《奇爱博士》中“金刚”少校乘着核弹一样，但我们要做好被这种情况下会发生的种种异象吓到的准备。现代粒子加速器中碰撞产生的渺子可达到几千GeV的能量级，相对论性的时间拉伸导致其平均寿命明显延长。LHC能产生1TeV能量级的渺子，其平均寿命约为150秒，这意味着如果方向合适，渺子可以畅通无阻地穿过整个地球，出现在新西兰附近的南太平洋地区。渺子中的能量冠军由最强宇宙射线产生，能量级可达到LHC渺子的100倍，它们可以存活几秒。

宇宙射线渺子的穿透力有意想不到的用处。几年前，报纸刊登过埃及胡夫金字塔内发现密室的新闻。这一消息引起了轰动，特别是其中寻找密室的技术，不靠印第安纳·琼斯式的冒险，也不靠走密道，考古学家和科学家运用了渺子成像技术，也就是利用穿过金字塔的渺子流来给金字塔拍片，就好像我们在医院里使X射线穿过我们身体进行CT扫描一样。如果被穿过的物体不均质、有空洞而导致局部密度较小，那渺子与这部分的相互作用也少，这样就可以按粒子流的变化形成一个图像。用来扫描金字塔内部的这项技术也被用于其他研究，比如给大型火山的岩浆室成像。

渺子的平均寿命可以拉长这一点，催生了最近的渺子加速器计划。这种机器的优势非常大。渺子的撞击非常“干净”，因为它和电子一样是点粒子，但它又可以达到非常高的能级，可被加速到几十TeV而没有显著辐射，就和质子一样。另一个不可忽略的优点是其加速环轨可以比未来环形对撞机（FutureCircularCollider，缩写为FCC）等巨型设备小得多，一个渺子加速器可以被安置在更小的隧道中，从而节省很多磁力和基建成本。

为了使渺子的寿命足够长，以便注入加速器中使其循环、碰撞，需要设计一个预加速阶段，来让渺子的能级达到几十GeV，这就足以将其平均寿命延长几百倍。

建造这种“梦想加速器”的主要难题是如何产生大量适合放进对撞机加速的渺子。现在至少有好几项研究正在寻找合适的技术方案，如果能够取得成功，很快就会在加速器领域开辟一条新路径，届时，渺子加速器将和传统的电子加速器、质子加速器并肩而立。

夸克的美丽、璀璨和羞怯

我们给b和c两种重夸克取了非常直观的名字：b（beauty），美夸克；c（charm），粲夸克。它们也是不稳定的，和渺子一样会通过弱相互作用衰变，但它们的平均寿命比渺子要短得多，一般在10-12秒到10-13秒之间。这个时间短到连最精细的时钟都很难度量出来。这一次，又是时间的相对论性拉伸拯救了我们。

这两种夸克比较重，粲夸克的质量大约相当于1。3GeV，美夸克的质量则可达4GeV以上，它们各自都比质子还重。它们和其他夸克组合成的物质状态更重，也更不稳定。由于它们的质量很大，将它们加速到接近光速很不容易，不像电子和渺子那样很快能做到。不过，用现代粒子加速器将粲夸克和美夸克的质量增加到几十GeV还是不难实现的。

为了测量粲夸克和美夸克的平均寿命这样短的时间，我们要从时间转向空间，也就是说，我们要测量粒子在衰变为次生粒子之前以光速走过了多少距离。夸克诞生时“赤身**”，但是我们无法看到它的这种状态，“强相互作用禁闭”使我们无法将它们作为单个夸克来研究。由于夸克带色荷，所以会参与强相互作用，而强力让它们立刻结合，仿佛光着身子很害羞，生怕别人瞥见自己最隐秘的样子一样。它们从高能碰撞中诞生后立刻就会聚合，变得更规整、更复杂，但只要新粒子衰变了，它们的存在也就显露无遗了。如果发现了只属于粲夸克和美夸克的平均寿命，那也就有无可辩驳的证据证明在表面之下隐藏着这两种夸克。

真正的挑战在于找到“次级顶点”。我们能以不错的精度知道粒子流相撞点，而且撞击（比如LHC中两质子相撞）产生新粒子的点——“初级顶点”也可以通过撞击区域电痕迹的交叉来确定。同样，我们可以通过衰变区电痕迹的交汇来确定“次级顶点”，也就是美夸克衰变并放出一场“烟花”的那个点，这样便可通过次级顶点与初级顶点的距离，间接测得美夸克的平均寿命。

一切都归结于痕迹测量的精度。次级顶点与初级顶点的距离极小，有时只相隔几分之一毫米，只有用最先进的痕迹测量设备才能测出。幸亏超敏感、极精确的新式传感器被研发了出来，直到几十年前还像做梦一样的事情现在变成了常规操作。

随着特殊设备的出现，我们的痕迹测量精度现在能达到10微米以下（1微米等于千分之一毫米），并且可以找出与初级顶点相距小于100微米的次级顶点。凭借如此强大的工具，测量短至10-13秒的平均寿命并不困难，可将这个时间转换为衰变前走过30微米左右。如果考虑到LHC中撞击产生的美夸克和粲夸克都几乎是以光速运动，那么衰变前走过的距离会变成1毫米左右，这是可以精确测得的。不过，测量短至10-13秒的平均寿命已经是目前通过不稳定粒子的运动测量其平均寿命的极限。

要测量短至10-16秒的平均寿命，可以尝试一些特别的方法，但需要放弃对撞机而采用固定靶，让粒子束击打固定的目标。通过这种方式，可以实现万倍以上的时间拉伸，但即使是这种极限技术，也无法测量与强相互作用相关的极短平均寿命。

找出次级顶点并以此推断撞击产生重夸克的方法促成了许多发现，包括发现最重的夸克——顶夸克。

顶夸克是所有已知基本粒子中的质量冠军，产生之后立刻衰变。它如此急于从环轨中消失，以致还来不及“穿衣服”就解体了。它是唯一“光着身子”死去的夸克，平均寿命据估计在5×10-25秒左右。它在衰变前走过的距离是无法测得的。其衰变虽由弱相互作用导致，却是在极短时间内发生的，因为顶夸克太重，而它被弹射到的环境太冷、太不友好，因此它连一瞬间都活不到。只有在周围的能量密度极大时，它才能安心待着。宇宙诞生的瞬间，它曾有过短暂的幸福时光、稍纵即逝的黄金时代——温度高到让它可以和其他夸克、胶子一起自由奔跑，但新生宇宙一冷却，一切就都戛然而止了。

有趣的是，顶夸克衰变时总会放出W玻色子和美夸克，而美夸克自己也会在走过一段可测量的距离后衰变。因此，通过搞清楚美夸克的衰变，再配上一个W玻色子，就可以知道哪些粒子来自顶夸克。正是由于这种明确的特征，1995年美国费米实验室使用正负质子对撞机第一次发现包含顶夸克的事件。今天，LHC还在用相似的技术来反推上百万顶夸克，并详细研究其所有性质。

希格斯玻色子虽然比顶夸克轻，但也是很重的基本粒子，寿命也很短，平均寿命估计在10-22秒左右，基本在初级顶点就会衰变产生粒子。这又是给实验物理学家下达了几乎不可能完成的任务：这么短的平均寿命怎么测？下一节我们就将看到，要做到这一点，还是要靠量子力学。

（1）。?亦称三全音，即音程上三个全音的距离?（六个半音），这个音程的声响特性就是极度的不安定、诡异。

（2）。?嘉玛道理会的意大利文是Ordine?Camaldolese，卡马尔多利是Camaldoli，音译有别。——译注

（3）。?大型强子对撞机的粒子探测器部分，采用巨型螺管式磁铁来测量光子、电子、渺子等粒子的动能。