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之前科学家一直觉得它们应该是相同的粒子,因为θ粒子和τ粒子的物理性质非常一致,它们具有相同的质量,相同的电荷,就连寿命也是一样的。
那么后来怎么知道它们是两种粒子呢?
是因为发现它们的衰变产物不一样。
θ粒子和τ粒子的衰变公式
你看,按照它们的衰变公式,θ粒子可以衰变成两个粒子,包括一个 π+ 介子和一个 π0 介子,而τ粒子衰变之后的产物则是两个 π+ 介子和一个 π− 介子,有三个粒子,两者明显不同。
更重要的是:θ粒子衰变产物的波函数是偶宇称的,那么根据宇称守恒,θ粒子的波函数也应该是偶宇称的;而τ粒子的衰变产物是奇宇称的,所以τ粒子的波函数也应该是奇宇称的才对。
这样看,θ粒子和τ粒子被区别成不同的粒子应该毫无疑义。
你看它们衰变产物不同,从衰变产物的属性又能得知它们的奇偶属性也不同。
所以虽然它们两个其他方面长得很像,但也只是长得像的双胞胎而已,并不是同一种粒子。
但是,这两种粒子过高的相似性也引起了一些科学家的怀疑。
别的粒子之间都差别巨大,他们两个怎么会如此相似?
于是有人开始怀疑起来,有没可能这两种粒子其实就是同一种粒子呢?
但宇称守恒明确地指出这是不可能的。
在当时这一现象也被称为「θ-τ之谜」,很多科学家试图弄清楚这件事情,这其中就包括了大名鼎鼎的两位华人科学家杨振宁和李政道,他们对这个现象也产生了很大的研究兴趣。
年轻的杨振宁和李政道
杨、李两人对衰变过程中起作用的「弱相互作用力」感兴趣起来。
我们都知道在物理理论中,宇宙中所有力的属性目前可以分为四大类,分别是「万有引力」、「电磁作用力」、「强相互作用力(又称强核力)」和「弱相互作用力(又称弱核力)」,这四类力又被称为四大基本作用力。
这四种力中,最强的是强交互作用力,其次是电磁作用力,然后是弱相互作用力,而能压扁恒星、塑造黑洞的万有引力其实是最弱的作用力。
强相互作用力是原子核之间的作用力,作用距离在核际范围,弱相互作用力是原子核内部的作用力,作用距离最短,而电磁力和引力则都是长程力,作用距离可以无限远。
科学家们认为所有的力都是由某种玻色子来传递的,比如电磁作用力表示电荷在磁场中所受到的力,它对应的玻色子就是光子。
传递强相互作用力的是胶子,传递弱相互作用里的是 Z 和 W 玻色子。
而传递万有引力则是目前还未找到的「引力子」,找到它也算是物理学家们还未了的一个心愿。
四大作用力
于是杨、李两人检查了之前所有关于宇称守恒的相关实验,果然发现四种力中只有弱相互作用力的宇称守恒还没有被任何实验验证过。