通過電磁相互作用，一個微觀粒子衰變為其他一些微觀粒子的過程。最早觀察到的亞原子粒子的電磁衰變現象是原子核的γ躍遷。在這個過程中原子核由激發態躍遷到較低的能級同時放出一個光子。
基本介紹
簡介,粒子衰變及其原因,科學家首次發現新的中子衰變方式,BaBaR實驗組探測稀有粒子衰變,科學家首次觀測到B介子純輕子衰變現象,中美科學家發現新粒子,基本相互作用fundamental interaction,引力相互作用,電磁相互作用,電磁衰變electromagnetic decay,蘭姆移位Lamb shift,弱相互作用,強相互作用,
簡介
最早觀察到的亞原子粒子的電磁衰變現象是原子核的γ躍遷。在這個過程中原子核由激發態躍遷到較低的能級同時放出一個光子。有一些介子和重子有相當大的電磁衰變幾率。如中性的π介子幾乎全部通過電磁作用衰變為兩個光子或一個光子和一個正負電子對（見衰變分支比）。
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粒子衰變及其原因
粒子產生後到衰變時為止平均存在的時間。粒子的性質之一。簡稱壽命，記為τ。當粒子運動速度很快接近光速時，由於相對論效應，平均壽命將比粒子靜止時的長。粒子物理中的平均壽命指該粒子靜止時的平均壽命。
除了光子、中微子、電子和質子之外，其他粒子都能自發衰變，平均壽命分布在很大的範圍。中子的壽命最長，為896秒，其他衰變粒子的壽命都短於10-5秒，最短的約為10-25秒。粒子的壽命與引起粒子衰變的相互作用類型有關，弱衰變的壽命為>10-14秒，電磁衰變的壽命為10-20～10-16秒，強衰變的壽命為10-25～10-20秒。粒子物理通常把壽命>10-20秒的粒子稱為穩定粒子，其壽命算是長的。對於長壽命粒子，其壽命可通過粒子在徑跡探測器內的徑跡長度推算；對於強衰變的粒子，壽命極短，不能靠徑跡測量，而是根據粒子壽命τ與能量（ 質量 ）的不確定度Γ之間存在的不確定關係τΓ～h來確定。Γ又稱為衰變寬度。因此測出粒子衰變引起的質量分布，量出衰變寬度Γ可計算出壽命τ，或者壽命就由衰變寬度Γ表示。
除了光子、中微子、電子和質子之外，其他粒子都能自發衰變，平均壽命分布在很大的範圍。中子的壽命最長，為896秒，其他衰變粒子的壽命都短於10-5秒，最短的約為10-25秒。粒子的壽命與引起粒子衰變的相互作用類型有關，弱衰變的壽命為>10-14秒，電磁衰變的壽命為10-20～10-16秒，強衰變的壽命為10-25～10-20秒。粒子物理通常把壽命>10-20秒的粒子稱為穩定粒子，其壽命算是長的。對於長壽命粒子，其壽命可通過粒子在徑跡探測器內的徑跡長度推算；對於強衰變的粒子，壽命極短，不能靠徑跡測量，而是根據粒子壽命τ與能量（ 質量 ）的不確定度Γ之間存在的不確定關係τΓ～h來確定。Γ又稱為衰變寬度。因此測出粒子衰變引起的質量分布，量出衰變寬度Γ可計算出壽命τ，或者壽命就由衰變寬度Γ表示。
科學家首次發現新的中子衰變方式
一個由俄羅斯、比利時和德國科學家組成的國際科研小組，首次在實驗中觀察到了中子衰變的新方式—-放射β（beta）衰變，即一個自由中子衰變成質子、電子、反中微子和光子。有關專家指出，該科研成果對粒子物理的研究有重要意義。
中子是基本粒子的一種，是原子核的組成部分。1932年，英國物理學家查德威克首次發現了中子。中子具有與質子大約相同的質量，屬於重子類，由兩個底夸克和一個頂夸克構成。絕大多數的原子核都由中子和質子組成（僅有一種氫原子的同位素例外，它由一個質子構成）。在原子核外，中子性質不穩定，半衰期為15分鐘。
基本粒子學理論認為，所有與帶電粒子碰撞的反應形式都應釋放出光子。但由於光子的能量很小，技術上很難“捕獲”。目前，通過實驗觀察到的中子衰變方式只有一種，即衰變成質子、電子和反中微子，而沒有觀察到釋放出的光子。
多年來，一個由俄羅斯、比利時和德國科學家組成的國際科研小組，一直致力於中子衰變方式的研究。最近，研究人員使用三度重合的低能粒子記錄技術：同時記錄電子、光子的飛行時間和質子獲得的脈衝能量，首次在實驗中發現了中子的一種新衰變方式———放射β衰變，即衰變成質子、電子、反中微子和光子。實驗還發現，平均300分之一的自由中子能夠釋放光子。
據悉，2002年該科研小組曾進行過類似的實驗，但由於記錄設備的靈敏度不夠，未獲得成功。之後，研究人員設法提高了低能粒子的實驗記錄精度，終於獲得了成功。在未來的實驗中，研究人員還有望將實驗記錄精度能提高10%，重複上述實驗。
中子是基本粒子的一種，是原子核的組成部分。1932年，英國物理學家查德威克首次發現了中子。中子具有與質子大約相同的質量，屬於重子類，由兩個底夸克和一個頂夸克構成。絕大多數的原子核都由中子和質子組成（僅有一種氫原子的同位素例外，它由一個質子構成）。在原子核外，中子性質不穩定，半衰期為15分鐘。
基本粒子學理論認為，所有與帶電粒子碰撞的反應形式都應釋放出光子。但由於光子的能量很小，技術上很難“捕獲”。目前，通過實驗觀察到的中子衰變方式只有一種，即衰變成質子、電子和反中微子，而沒有觀察到釋放出的光子。
多年來，一個由俄羅斯、比利時和德國科學家組成的國際科研小組，一直致力於中子衰變方式的研究。最近，研究人員使用三度重合的低能粒子記錄技術：同時記錄電子、光子的飛行時間和質子獲得的脈衝能量，首次在實驗中發現了中子的一種新衰變方式———放射β衰變，即衰變成質子、電子、反中微子和光子。實驗還發現，平均300分之一的自由中子能夠釋放光子。
據悉，2002年該科研小組曾進行過類似的實驗，但由於記錄設備的靈敏度不夠，未獲得成功。之後，研究人員設法提高了低能粒子的實驗記錄精度，終於獲得了成功。在未來的實驗中，研究人員還有望將實驗記錄精度能提高10%，重複上述實驗。
BaBaR實驗組探測稀有粒子衰變
科學家們最近在美國大型粒子探測器BaBaR上進行的實驗顯示，他們沒有觀察到支持理論預言的從B介子到正反τ粒子的稀有衰變的任何跡象。 此次探測實在標準模型擴展的基礎上進行的。標準模型時描述基本粒子的相互作用，以及基本粒子如何結合成複合粒子的物理理論。B粒子是一種介子，由夸克和反夸克組成。τ是一種基本的非複合粒子，可以看成是非常重的電子。
原始的標準模型允許B介子衰變成正反τ輕子對，但是衰變幾率太小，非常難觀測到。但是最近提出的標準模型擴展理論預言這個衰變過程可能通過某種現在未知的力或粒子，以可能測量到幾率衰變。所以BaBaR進行了此次實驗。
位於美國史丹福大學附近的斯坦福直線加速器中心（SLAC）建造的最終目的是為了研究為什麼現在宇宙中占統治地位的是正物質，為什麼宇宙大爆炸後遺留下來的反物質非常少。BaBaR探測器環繞著一系列非常大的粒子加速器。電子和正電子束在其中已接近光速的速度頭碰頭相撞。碰撞過程中產生如B介子和反B介子，它們隨後衰變成大量的其它粒子。BaBaR探測器可以記錄下這些衰變粒子的軌跡、能量和電荷量。BaBaR實驗組的科學家（來自世界範圍內的超過70個研究單位的600名物理學家）根據這些數據重建出B介子的衰變過程。
該實驗的新聞發言人、SLAC物理學家David MacFarlane說：“我們的結果顯示，在90%的置信水平上，這個衰變過程發生的機率太小了，BaBaR無法探測到。我們的結果很重要，因為我們沒有找到這個衰變過程意味著我們重新設定了可能的超出標準模型的新物理的界限。”
BaBaR實驗組的物理學家們計算了B介子衰變的分支比。分支比的大小告訴了我們B介子衰變中產物為正反τ粒子的分支與其它衰變分支的相對大小。實驗發現的結果是中性B介子衰變到正反τ粒子的分支比不超過0.0041。
這項研究發表在6月23日的《Physical Review Letter》雜誌上。
原始的標準模型允許B介子衰變成正反τ輕子對，但是衰變幾率太小，非常難觀測到。但是最近提出的標準模型擴展理論預言這個衰變過程可能通過某種現在未知的力或粒子，以可能測量到幾率衰變。所以BaBaR進行了此次實驗。
位於美國史丹福大學附近的斯坦福直線加速器中心（SLAC）建造的最終目的是為了研究為什麼現在宇宙中占統治地位的是正物質，為什麼宇宙大爆炸後遺留下來的反物質非常少。BaBaR探測器環繞著一系列非常大的粒子加速器。電子和正電子束在其中已接近光速的速度頭碰頭相撞。碰撞過程中產生如B介子和反B介子，它們隨後衰變成大量的其它粒子。BaBaR探測器可以記錄下這些衰變粒子的軌跡、能量和電荷量。BaBaR實驗組的科學家（來自世界範圍內的超過70個研究單位的600名物理學家）根據這些數據重建出B介子的衰變過程。
該實驗的新聞發言人、SLAC物理學家David MacFarlane說：“我們的結果顯示，在90%的置信水平上，這個衰變過程發生的機率太小了，BaBaR無法探測到。我們的結果很重要，因為我們沒有找到這個衰變過程意味著我們重新設定了可能的超出標準模型的新物理的界限。”
BaBaR實驗組的物理學家們計算了B介子衰變的分支比。分支比的大小告訴了我們B介子衰變中產物為正反τ粒子的分支與其它衰變分支的相對大小。實驗發現的結果是中性B介子衰變到正反τ粒子的分支比不超過0.0041。
這項研究發表在6月23日的《Physical Review Letter》雜誌上。
科學家首次觀測到B介子純輕子衰變現象
科技日報東京8月1日電,
日本高能加速器研究機構(KEK)今天公布，由中國等13個國家參加的一個國際研究組(Belle)，利用被稱之為B介子工廠的大型加速器(KEKB)進行實驗，首次觀測到伴隨基本粒子中微子的B介子純輕子衰變現象，B介子衰變到τ輕子和中微子兩種粒子，衰變幾率與基本粒子標準模型理論的預言相一致。研究小組認為，由於一些超出標準模型的理論，如超對稱性和兩黑格斯(Higgs)模型理論都可以修正該輕子道的衰變幾率，因此，今後應進一步積累實驗數據以進行更深入的研究，更精確地檢驗標準模型理論，探測可能存在的新物理現象和相互作用機制。
中微子幾乎不與物質發生相互作用，因此被稱為看不見的粒子。伴隨著中微子產生的B介子純輕子衰變現象的研究，對探尋新物理和新理論具有非常重要的意義。但是，由於純輕子衰變道的衰變幾率比較小，且通常的粒子探測器無法直接測到中微子的存在，事例的判選和重建都非常困難，存在很大的本底，因此科學家將該事例的篩選比喻為在柴草堆中找針。 研究小組利用高能加速器，詳細觀測了至2005年6月為止產生的4.5億對B介子和反B介子的衰變過程，從中觀察到17次B介子衰變為τ粒子和中微子現象。B介子有很多衰變類型，此次觀測到的衰變現象為每一萬次中有1.79次發生機率，符合標準理論預言的範圍。
目前所知的實驗實事都可以用粒子物理學理論體系的標準模型來解釋，但是物理學界普遍認為，一定存在高出於目前標準模型理論的未知物理法則和物質相互作用機制。這一新物理法則最有力的候選者之一是“超對稱性理論”，該理論預言存在有多個帶電的和不帶電的黑格斯(Higgs)粒子，而在標準模型理論中只有一個中性的黑格斯粒子。尋找黑格斯粒子和超對稱性理論預言的新粒子將是即將在位於瑞士日內瓦的西歐核子研究中心(CERN)投入運行的大型強子對撞機(LHC)加速器上的首要物理目標。中國科學家也參加了這一研究項目。
中國科技大學張子平教授認為，日本的B介子工廠是目前國際上運行亮度最高、最穩定的加速器，Belle探測器的性能也是世界一流的，實驗精度非常高，已取得了許多重要的物理成果。中國科學家為此做出了重要貢獻，北京高能物理研究所、中國科技大學和北京大學的科學家在中性D介子混合的研究以及B到含J/ψ粒子的衰變道研究中都有出色研究成果。
中美科學家發現新粒子
中美科學家日前在北京正負電子對撞機上首次發現一個新粒子，分析研究已明確排除用任何已知粒子來解釋這個粒子的可能性。
中國科學院高能物理研究所一位負責人介紹，最近在一項夸克物理研究項目中，中美科學家合作分析研究從北京正負電子對撞機和北京譜儀上得到的5800萬個J粒子事例的數據時，發現了這個新的短壽命粒子。這個結果已在國際著名雜誌《物理評論快報》上發表，並引起了國際高能物理界的高度重視。
中國科學院高能物理研究所一位負責人介紹，最近在一項夸克物理研究項目中，中美科學家合作分析研究從北京正負電子對撞機和北京譜儀上得到的5800萬個J粒子事例的數據時，發現了這個新的短壽命粒子。這個結果已在國際著名雜誌《物理評論快報》上發表，並引起了國際高能物理界的高度重視。
J粒子發現於1974年，對它的衰變研究是尋找新粒子的理想場所。這個新粒子就是在分析J粒子衰變到質子反質子過程中找到的，它的整個過程是：J粒子衰變到光子和這個新粒子，這個新粒子再衰變到質子和反質子對。它的質量小於質子和反質子的質量之和。
中科院高能所負責人說，各種分析研究已經確認這是一個新的粒子，而且可能是幾十年前由科學家費米和楊振寧預言的多夸克態粒子。夸克是一種組成質子的更小的粒子，一般的粒子由兩三個夸克組成，而這個粒子可能由更多的夸克組成。這一新粒子和國際上其他實驗新發現的多夸克態粒子一起，表明目前粒子物理的強相互作用理論還不能解釋所有有關的實驗事實。這些新粒子的發現已成為當前粒子物理研究的一個新熱點，對粒子物理理論的發展具有重要意義。
目前，中外物理學家正對這個新粒子的性質和衰變特性從理論和實驗上做更深入的研究和討論。
始建於1984年的北京正負電子對撞機和與它相配套的大型通用探測器北京譜儀，1999年完成升級改造，每天獲取的數據量提高3到4倍，數據質量良好，使中國在世界高能物理實驗研究領域始終占有一席之地。
基本相互作用fundamental interaction
決定物質的結構和變化過程的基本的相互作用。近代物理確認各種物質之間的基本的相互作用可歸結為 4種：引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用。近代物理的觀點傾向於認為 4種基本相互作用是統一的，物理學家正在為建立大統一理論超統一理論而努力。
引力相互作用
所 有 具有質量的物體之間的相互作用，表現為吸引力，是一種長程力，力程為無窮。其規律是牛頓萬有引力定律，更為精確的理論是廣義相對論。在4種基本相互作用中最弱，遠小於強相互作用 、電磁相互作用和弱相互作用，在微觀現象的研究中通常可不予考慮，然而在天體物理研究中起決定性作用。按照近代物理的觀點，引力作用是通過場或通過交換場的量子實現的，引力場的量子稱為引力子。
電磁相互作用
帶電物體或具有磁矩物體之間的相互作用，是一種長程力，力程為無窮。巨觀的摩擦力、彈性力以及各種化學作用實質上都是電磁相互作用的表現。其強度僅次於強相互作用，居四種基本相互作用的第二位。電磁作用研究得最清楚，其規律總結在麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式中，更為精確的理論是量子電動力學。量子電動力學是物理學的精確理論，按照量子電動力學，電磁相互作用是通過交換電磁場的量子（光子）而傳遞的，它能夠很好地說明正反粒子的產生和湮沒，電子、μ子的反常磁矩(見粒子磁矩)與蘭姆移位等真空極化引起的細微電磁效應，理論計算與實驗符合得非常好。電磁相互作用引起的粒子衰變稱為電磁衰變。最早觀察到的原子核的γ躍遷就是電磁衰變，其他還有如π0→γ+γ等。電磁衰變粒子的平均壽命為 10-16～10-20秒（s）。
電磁衰變electromagnetic decay
通過電磁相互作用，一個微觀粒子衰變為其他一些微觀粒子的過程。最早觀察到的亞原子粒子的電磁衰變現象是原子核的γ躍遷。在這個過程中原子核由激發態躍遷到較低的能級同時放出一個光子。有一些介子和重子有相當大的電磁衰變幾率。如中性的π介子幾乎全部通過電磁作用衰變為兩個光子或一個光子和一個正負電子對（見衰變分支比）。中性的Σ重子幾乎全部衰變為Σ 重子和一個光子。由於電磁作用比弱作用強，電磁衰變的粒子的壽命比只能弱衰變的粒子的壽命短得多。
蘭姆移位Lamb shift
顯示氫原子和類氫離子能級不完全精確符合量子力學理論計算結果的重要實驗事實。量子力學得出氫原子和類氫離子的能級是l簡併的，例如 22P1/2和 22S1/2的能級是重合的，22D3/2和 22P3/2的能級是重合的。20世紀30年代已有人從氫光譜精細結構的精密測量中發現，理論和實驗有微小的不能歸之於實驗誤差的差異。1947年W.E.蘭姆和R.C.雷瑟福用微波波譜方法測得22S1/2態比22P1/2態高出3.3米-1。蘭姆移位的發現推動了量子電動力學的發展，同年H.A.貝特用量子電動力學的重正化方法計算了蘭姆移位。蘭姆移位的理論計算和實驗測量不斷得到改進，兩者始終精準符合。蘭姆移位和電子反常磁矩以及μ子反常磁矩的實驗構成量子電動力學三大實驗支柱。
弱相互作用
最早觀察到的原子核的β衰變是弱作用現象。弱作用僅在微觀尺度上起作用，其力程最短，其強度排在強相互作用和電磁相互作用之後居第三位。其對稱性較差，許多在強作用和電磁作用下的守恆定律都遭到破壞（見對稱性和守恆定律），例如宇稱守恆在弱作用下不成立。弱作用的理論是電弱統一理論，弱作用通過交換中間玻色子薄Z0而傳遞。弱作用引起的粒子衰變稱為弱衰變，弱衰變粒子的平均壽命大於10-13s。
