【物理学中的手性 19.】

（19. 费米子寿命的手性）

  弱相互作用可以使原子核、基本粒子发生衰变。而衡量衰变的物理量是半衰期和寿命。半衰期是指衰变物的物质量减少一半时所需时间，它是对大量的衰变粒子的统计平均值。半衰期越长，衰变越慢，其粒子越稳定。衰变粒子的寿命是指粒子从发生到消亡（即衰变发生）的时间，对一束粒子而言，发生衰变的起始时间是不一样的，所以采用的是一束粒子的平均寿命。而记录寿命不是在粒子数减少一半时，而是当一束粒子中有63%发生衰变所需的时间。因此，粒子的寿命要比半衰期长1.443倍。同样，粒子寿命越长，衰变越慢，粒子就越稳定。

  粒子寿命是粒子的基本属性之一。绝大多数粒子都是不稳定的，只有光子、电子、中微子和质子是稳定的，它们的寿命是无穷大。能够引起粒子衰变的不只是弱相互作用，强相互作用和电磁作用都有可能。且相互作用越强，单位时间内发生衰变的概率越大，衰变过程越快，粒子寿命越短。比如，共振态粒子由强相互作用引起，其寿命极短，一般为10^-23s，由电磁作用引起衰变的π⁰介子，其寿命为8.4×10^-17s。由弱相互作用引起的衰变粒子的寿命较长，一般为10^-8s，中子的寿命可达14.8min。

   影响粒子寿命的有两个因素：一是粒子的手性，二是相对论中的时间膨胀效应。

  大多数费米子的衰变是由弱力决定的，由于弱力的手性，左旋费米子的弱力强度大于右旋费米子的强度，根据相互作用越强，衰变过程越快，粒子寿命越短的观点，左旋费米子的寿命比右旋费米子的要短。而左旋反费米子的寿命要比右旋反费米子的长。寿命的这种手性不对称就简称为寿命的手性。由于弱力的手性程度与费米子的速度有关，当粒子静止时，寿命不具有手性；当粒子高速先进时，寿命的手性增强，为此，必须考虑相对论中速度对物理量（包括半衰期、寿命等）的影响。

  按照狭义相对论，运动中的时钟走得慢。也即是运动中的物理、化学和生物过程会变慢，或说时间间隔拉长，这就是相对论中的时间膨胀效应。由此，粒子的寿命随着粒子的运动速度增大而延长。

  于是，研究粒子的寿命时既要考虑弱力的手性产生的寿命手性，也要考虑到相对论的时间膨胀效应。综合起来，有一个很有意思的寿命变化分析图（见下图），图的纵坐标是费米子的寿命，度量单位是粒子静止时的寿命τ₀；横坐标是费米子的速度，度量单位是 β（粒子速度与光速的比值）。当粒子速度等于0时， β等于0；粒子速度等于光速时，β等于1。曲线C是未极化费米子的寿命曲线，也就是只考虑时间膨胀效应时的寿命随速度变化曲线，曲线a和曲线b是同时考虑时间膨胀效应和寿命手性时的寿命随速度变化的曲线。曲线a是右旋费米子的寿命曲线，曲线b是左旋费米子的寿命曲线。

  由上图分析，当β＝0时，寿命等于τ₀，此时没有时间膨胀效应和寿命的手性效应。意指静止时的寿命。当β ≠ 0时，由曲线C可知，时间膨胀效应使寿命随速度的增加而快速延长；比较曲线a和曲线b可以看出，寿命的手性使左旋费米子的寿命总是小于右旋费米子的寿命。特别是，在β＝0到β＝0.84的范围内，左旋费米子的寿命甚至小于费米子在静止时的寿命τ₀；当β＝0.5时，左旋费米子的寿命有最小值，约等于0.77τ₀。当β→1时，3条曲线都趋于无穷大。

  相对论的时间膨胀效应和寿命的手性效应都与β有关，但前者是与 β²相关，后者只与 β相关。其次，相对论效应使寿命总是随速度的增加而延长，但寿命的手性随着速度的增加既可以使寿命延长，而在β＝0到β＝0.84的范围内又可以使寿命缩短。所以寿命的手性是一种新的宇称不守恒现象，但它不属于相对论效应。

                                              丰都智愚河畔环境技术工作室