是什麼原因導致粒子衰變?

2020-12-03 天文在線

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是什麼原因導致了基本粒子（例如：兩個夸克中較重的那個）「衰變」成其他基本粒子呢？如果這些新的粒子不是原先粒子的一部分，那這些新粒子又是從何而來呢？

在我看來，粒子的衰變必然是由於一些內力或外力的作用造成的，但如果所有的力都是由新粒子帶來的，這又怎麼可能呢？對於新誕生的基本粒子，我對它們在原粒子消失之後的存在能力感到疑惑。我是一名具有一定物理學知識的高中學生，並且最近才開始學習和了解有關粒子物理學的知識。

從某種意義上來說，粒子會因為他們具有惰性而衰變，它們希望維持可達到的能量最低的狀態。因此，如果衰變後產物的能量比初始粒子能量小，衰變就可以自發產生。這也意味著粒子可以在沒有任何外力的作用下處於任何一種中間的狀態，而且它將一直持續衰變。雖然無法預測衰變發生的確切時間，但是粒子通常都會具有一個特定的壽命。（如果您之前已經聽過這個術語，這與他們的半衰期非常接近，）。

舉個例子，中子會比質子略重，所以中子的能量就會比質子略高。事實證明，單獨一個自由的中子（一個未被束縛在核中的中子）會自發地衰變為質子，電子和中微子。（這種行為被叫做「β衰變」）。這段衰變的用時大約15分鐘。

最後，哪些粒子可以經歷這種衰變呢？事實證明，任何基本粒子（例如質子，中子以及充滿質子和中子的原子）的複合粒子都可以通過這種方式衰變。至於基本粒子本身，舉個例子來說，一個電子並不能像中子那樣自發地進行衰變。至於夸克的衰變，就是一個更困難的案例了，因為我們認為夸克不可能單獨存在。

圖解：中子β衰變的費曼圖。經由一個W玻色子，中子衰變為一個質子，同時釋放出一個電子和一個反電子中微子。

這些新的粒子是從哪裡來的呢？ 我認為最好的答案就是他們來源於最純粹的能量。愛因斯坦證明了E = mc^2，即質量和能量彼此成正比，光速的平方是比例常數。所以，人們可以用能量和其他方式來解決問題。因此，在有足夠的能量作用下（並且滿足某些粒子物理規則），一個粒子可以「變成」另一種類型的粒子。舉個例子，滿足該條件之後，質子和中子可以發生反應。

粒子衰變

粒子衰變是一個不穩定的亞原子粒子轉變為多個其他粒子的自發過程。此過程中轉化成的這些粒子（最終狀態）均小於原始粒子，儘管整個系統的總質量不變。一個粒子如果可以衰變成至少一個允許的最終狀態，那麼它一定處於不穩定的狀態。這些不穩定粒子的衰變方式有很多種，不同方式有不同的發生概率。衰變是由一個或多個基本力導致。處於最終狀態的粒子本身可能不穩定並且進一步衰變。

粒子的衰變通常不同於放射性衰變，即使這兩者在概念上相似並且經常用相同的術語去描述特徵，在輻射的過程中，伴隨著粒子或輻射的發射，不穩定的原子核轉化成較輕的核。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. Miette-curious

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