物质粒子（费米子）是否有寿命？ 第1页

有。粒子不仅有寿命，粒子寿命甚至关系到宇宙的生死存亡……

开局一张图，剩下全靠编（划掉），让我们再再再次放出下面这张图，粒子物理学标准模型的基本粒子：

题主说的“物质粒子（费米子）”，大概是说的上图中的三代物质粒子（费米子）。粒子物理的标准模型包含了一系列基本粒子：

• 三代夸克、三代轻子，夸克和轻子都是费米子，自旋为1/2
• 传递相互作用的矢量玻色子，胶子、光子、Z和W玻色子，自旋为1
• 唯一自旋为0的标量玻色子——希格斯粒子

根据标准模型，宇宙的普通物质都由上图中的基本粒子（以及它们的反粒子）构成。比如一对正反夸克组成介子，三个夸克可以组成重子（例如中子和质子属于重子，都是由三个夸克组成的），质子和中子可以组成原子核，原子核加上电子就构成了原子，原子和原子组成分子，分子和原子可以构成我们周围的万事万物。

这些基本粒子是否有寿命？一般来说是有的，而且它们的寿命长短没什么规律，有的很长寿，有的很短命。不过也有特殊情况，比如对夸克来说，由于实验没有发现自由夸克，没有单独的夸克存在，也就无所谓寿命了，其它的轻子、玻色子是有寿命或者宽度的。

注意，当我们说粒子的寿命到了的时候，意思是说粒子发生了衰变，变成了别的一些粒子，原来的粒子不存在了。

知乎的两栖动物爱好者关心青蛙的寿命，粒子物理学的工作者则关心粒子的寿命。平时我们想知道粒子的寿命是多少，最直接的方法是查“粒子数据手册”：

粒子数据手册是粒子物理学实验工作者的圣经，几乎每篇粒子物理实验文章都会引用它，实验发现的所有粒子的质量、寿命、自旋、衰变等等性质，都可以在里面查阅。粒子数据手册有一本大的review，还有一本小的booklet，两种手册都有实体书，也有线上网站。这个手册有专人维护，每年把世界上各个实验的重要结果进行汇总，对粒子的测量结果进行更新。

我们通过粒子数据手册查阅：

• 夸克quarks是查不到寿命的，人们从来没有发现过单个夸克，实验上对自由夸克的搜寻目前还没有结果，也就无所谓夸克的寿命了。
• 轻子的寿命，电子（e）、μ子、τ子的寿命依次变短，电子很长寿，τ子很短命；中微子很难探测，目前实验给出的是寿命和质量之比的下限。
• 胶子（g），无所谓寿命。实验上的三喷注现象证明胶子存在，但胶子的“单质”，或者说胶球尚未被确定。
• 光子（γ），寿命无穷大。
• Z和W玻色子，实验测量了宽度。
• 希格斯玻色子H，宽度和寿命尚未精确测量，目前实验给了上限。

基本粒子在粒子数据手册中只是一小部分，手册上的大部分内容是各种复合粒子的性质，也是实验研究是重要对象。

实验发现，电子e、μ子、π介子、K介子、质子p、光子γ、中微子，以及它们对应的反粒子，是比较稳定的。除此之外的大部分已发现的粒子通常很不稳定，会发生衰变。人们通常把不进行强相互作用衰变的粒子称作“稳定”粒子（寿命大于 秒），这些稳定粒子一般通过电磁相互作用或者弱相互作用衰变。 粒子寿命的长短，通常跟衰变前后的质量差，以及衰变的相互作用类型有关^[1]。

我们所说的粒子寿命，是指在粒子静止时（高速运动会导致粒子寿命的相对论延长），大量相同粒子的平均寿命，是一个分布函数。如果我们令N(t) 为t时刻时某种不稳定粒子的数目，在dt的时间间隔中，由于粒子发生衰变，粒子数减少了-dN，则-dN应正比于N，还正比于dt，那么有^[2]

这里λ是衰变常数，解之得

粒子数目的分布函数是一个随时间衰减的指数函数，N(t0)是t=t0时的粒子数目，所有粒子的平均寿命，即所谓的粒子寿命是

粒子寿命是一个反映大数量粒子特征的统计量，它跟粒子的衰变常数是倒数关系，不同粒子的寿命不一样，一些典型粒子的寿命如下：

• 光子，非常稳定，寿命无限，
• 电子，非常稳定，实验测量了寿命的下限， 年
• μ子，虽然μ子和电子都是轻子，μ子的寿命却很短， 秒
• 中子， 秒
• 质子（也是费米子），非常稳定，实验测量了寿命的下限， 年

粒子物理学实验非常关心粒子寿命，对粒子寿命的测量是了解粒子性质的重要窗口，一些粒子的寿命甚至关系到宇宙的存在和演化，比如“质子衰变”，这是宇宙学和粒子物理学共同关心的难题。

我们周围的世界由分子和原子组成，而原子里面的原子核有质子，质子无处不在，极为重要，质子会衰变吗？质子的寿命是多少？这关系到宇宙的生死存亡。宇宙大爆炸的时候产生了一样多的正物质和反物质，为什么现在我们周围却都是正物质，反物质去哪了？这在物理学中被称为“正反物质不对称之谜”，它跟重子数守恒相关。

简单来说，根据标准模型，重子数是严格守恒的，那么质子作为最轻的重子，将严格稳定，寿命万寿无疆，永远不会衰变。

然而，一些比标准模型超前的理论则否定了重子数守恒，预言质子的寿命不是永恒的，质子也会衰变，质子衰变后产生一个正电子和一个中性π介子，即

不同的理论预言的质子寿命如下^[3]

• 爱因斯坦梦寐以求的大统一理论预言质子寿命大约是 年
• 额外维模型预言质子寿命大约是 年
• 最小超对称模型预言质子寿命大约是 年

质子衰变必须有实验进行探测，才能给出理论的最终判决，否则理论只是一堆废纸。如果质子确实存在衰变，那么大统一理论基本设想的正确性就有了实验基础，进而为大爆炸宇宙学中的粒子生成提供理论基础，增进人们对宇宙演化的认识。

年是什么概念呢，是1后面跟30个零。作为比较，宇宙年龄138亿年，大约是1后面跟10个零……宇宙再怎么爆炸或塌缩，质子都能扛住！

质子寿命比宇宙年龄还大，那不就相当于质子是永生的嘛，这个寿命还怎么测？而且这种实验没有任何实用或经济价值，哪个国家脑子进水支持这种研究？

嗯，日本、美国和欧洲，甚至印度都有专门的实验进行质子衰变的探测。

印度在上世纪80年代就利用自己的柯拉金矿(Kolar GoldField，不是金坷垃)的矿井做实验测定质子的衰变，实验没有发现质子衰变，他们推算质子的寿命在 年的量级。除了印度人的实验，像欧洲人也在阿尔卑斯山脉的隧道搞实验，美国人在明尼苏达的矿洞和俄亥俄的盐矿中也有质子衰变的实验。

探测质子衰变最牛逼的是日本人，日本人在岐阜县的一个深达1000m的隧道中建设了神冈和超级神冈探测器，主要目标就是探测质子衰变，同时还能测量太阳、地球大气和超新星爆发产生的中微子。

超级神冈探测器是目前世界上最大的中微子探测器，主体是一个高41米、直径39米的圆柱形容器，里面装满了5万吨的，水。科学家在圆柱形容器的周围安装了11200只光电倍增管，仅这些光电倍增管就花了三千多万美元（不过没关系，日本人垄断了光电倍增管的生产，反正是日本滨松的国产货，肥水不流外人田）。

尽管神冈（Kamiokande）/超级神冈（Super-Kamiokande）还没有探测到质子衰变，但却意外探测到了太阳中微子/大气中微子，为日本赢得了2002年（小柴昌俊）/2015年（梶田隆章）的诺贝尔物理学奖。

日本人的实验从1982年开始，仍没有测到质子衰变，却坚持了近四十年，一直到今天。他们不仅没有放弃，甚至计划再次进行大升级。

2019年12月13日，日本内阁批准了日本科学家的提议，决定建造世界最大的探测器——顶级神冈探测器（Hyper-Kamiokande）。该探测器预计明年开始建造，2027年正式开始运行实验^[4]。

“顶级神冈探测器”是“超级神冈探测器”的超级升级版，可以容纳 260,000 吨超纯水，是超级神冈探测器的五倍以上，使用的光电倍增管达到40000多个，对质子衰变的探测灵敏度也将大大提高，同时还能探测中微子。

中国在这方面并不落后，我们的“广东江门中微子实验”^[5]，是日本顶级神冈的竞争对手。江门探测器使用的不是纯水，而是液体闪烁体，对低能中微子的探测灵敏度更有优势，能测量中微子质量顺序，也有搜寻质子衰变的潜力，与顶级神冈形成互补。

不仅如此，为了实现江门探测器的国产化，中国科学家还与国内军工企业合作，成功研制20英寸光电倍增管，打破了日本滨松公司在大尺寸光电倍增管的技术垄断，而且我们的光电倍增管价格比日本的便宜几千块^[6]。江门中微子实验目前正在建设中，预计2022年投入运行。

随着中国逐渐开始支持更多的基础研究，在拓展人类认知边界的基础前沿，我们将会看到更多来自中国的贡献。

人类曾经认为永恒的存在，其实有着各自的生命周期。

总有那一天，人类的文明会走向终结，我们生活其上的淡蓝地球也将变成一片荒芜，我们的太阳和银河系也终将寿终正寝。在一切走向终结之前，在宇宙中占有重要地位的物质粒子——质子，生命是否是有限的？

【完】

参考

1. ^ 章乃森，《粒子物理学》
2. ^ 杨福家，《原子物理学》
3. ^ 王瑞光, 戴长江. 质子衰变实验进展[J]. 物理, 2011, 40(03)
4. ^Japan will build the world’s largest neutrino detector https://www.nature.com/articles/d41586-019-03874-w
5. ^江门中微子实验简介 http://www.ihep.cas.cn/dkxzz/juno/JUNO_gaikuang/201308/t20130802_3908078.html
6. ^见我从前的回答“有什么东西看起来不值钱却贵到不可思议？” https://www.zhihu.com/question/31919915/answer/152814290