粒子衰變

粒子衰變是一基本粒子變成其他基本粒子的自發過程。在這個過程中，一基本粒子變成質量更輕的另一種基本粒子，及一中間粒子，例如μ子衰變中的W玻色子。這中間粒子隨即變成其他粒子。如果生成的粒子不穩定，那麼衰變過程還會繼續。

粒子衰變這種過程，與放射性衰變不一樣，後者為一不穩定的原子核，變成一更小的原子核，當中還伴隨着粒子或輻射的發射。

注意本條目使用自然單位，即

。

 粒子壽命列表 
所有數值均來自粒子數據小組：
{| class=wikitable style="text-align: center;"
!種類
!名稱
!符號
!能量 (MeV)
!平均壽命
|-
|rowspan="3" | 輕子
|電子 / 正電子
|
|0.511
| 年
|- 
|μ子 / 反μ子
|
|105.6
| 秒
|-
|τ子 / 反τ子
|
|1777
| 秒
|-
|rowspan="2" | 介子
|中性π介子
|
|135
| 秒
|-
|帶電π介子
|
|139.6
| 秒
|-
|rowspan="2" | 重子
|質子 / 反質子
|
|938.2
| 年
|-
|中子 / 反中子
|
|939.6
| 秒
|-
|rowspan="2" | 玻色子
|W玻色子
|
|80,400
| 秒
|-
|Z玻色子
|
|91,000
| 秒
|}

 生還概率 
把一粒子的平均壽命標記為，這樣粒子在時間t後仍生還（即未衰變）的概率為

其中

為該粒子的勞侖茲因子。

 衰變率 
設一粒子質量為M，則衰變率可用下面的通用公式表示

其中

n為原衰變所生成的粒子數，

為連接始態與終態的不變矩陣上的元，

 為相空間的元，及

為粒子i 的四維動量。

相空間可由下式所得，

其中
為四維的狄拉克δ函數。

 三體衰變 
作為例子，一粒子衰變成三粒子時的相空間元如下：

 四維動量 

一粒子的四維動量又叫其不變質量。

一粒子的四維動量平方，定義為其能量平方與其三維動量平方間的差（注意從這開始，採用的單位都能滿足光速等於1這項條件）：

兩粒子的四維動量平方為
。

 四維動量守恆 
在所有衰變及粒子相互作用中，四維動量都必須守恆，因此始態pi 與終態pf 的關係為
。

 在二體衰變中 
設母粒子質量為M，衰變成兩粒子（標記為1和2），那麼四維動量的守恆條件則為

。

整理可得，

然後取左右兩邊的平方

。

現在要用的正是四維動量的定義——方程(1)，展開各p2 得

若進入母粒子的靜止系，則 

，及

將上述兩式代入方程(2)得：

整理後得粒子1於母粒子靜止系中的能量公式，

同樣地，粒子2在母粒子在靜止系中的能量為

。

可得

先把 代入方程(3)：

的推導也一樣。

 二體衰變 

 從兩個不同的參考系 

在實驗室系中發射粒子的角度，與質心系時的關係由下式表示：

 衰變率 
設一母粒子質量為M ，衰變成兩粒子，標記為1和2。那麼在母粒子的靜止系中，

。

另外，用球座標表示則為

。

已知二體衰變的相空間元（見上文#衰變率一節，n=2），得母粒子參考系中的衰變率為：

。

 另見 
粒子物理學
粒子列表
弱相互作用

 參考資料 
 －見第2頁。
粒子數據小組 
粒子大冒險 勞倫斯伯克利國家實驗室粒子數據小組

Category:粒子物理學