中性介子

中性介子是物理學名詞，在《物理學名詞》第三版中被全國科學技術名詞審定委員會於2019年審定公布。中性介子是由一個夸克和一個反夸克組成的強子，是研究粒子與反粒子不對稱性（CP破壞）的對象。其中D0介子是唯一包含上類夸克（如上夸克和粲夸克）的中性介子。

湯川秀樹提出了介子理論。中性π介子於1950年被發現。

基本介紹

• 中文名：中性介子
• 外文名：neutral meson
• 所屬學科：物理學
• 公布時間：2019年
• 定義：淨電荷為零的介子

基本含義

介子是由一個夸克和一個反夸克組成的強子。中性介子是介子的一種，其淨電荷為零，例如π0介子、K0介子、D0介子和B0介子等。中性介子是研究粒子與反粒子不對稱性（CP破壞）的良好對象，因為介子是由一個夸克和一個反夸克組成的——可算作是物質和反物質的混合系統。D介子是唯一可能發生混合的上型介子（up type meson）。

發展歷程

1935年，日本物理學家湯川秀樹提出核力的介子場理論。湯川和坂田昌一探討了雙介子交換問題，從而提出需要一種中性介子。凱默引入了中性介子來解釋核力的電荷獨立性。坂田和谷川安孝提出了中性介子的假說，並預言其會衰變為光子，初步估算其壽命大約為10^-16秒。

1937年，安德遜等在宇宙射線中發現一種質量介於質子與電子之間的帶電粒子，被稱為介子。1947年，鮑威耳等在較高空的宇宙射線中發現另一種質量更大的帶電粒子，被命名為π介子。1950年，斯坦柏格等人利用回旋加速器，通過實驗觀測到中性π介子衰變為光子的過程，證實了其存在。

1964年，對中性K介子的實驗，首次觀測到粒子與反粒子行為的不對稱性，即CP破壞。2013年，大型強子對撞機底夸克實驗明確無誤地證實了中性D介子也存在與其反粒子相互轉換的混合現象。

基本特徵

中性介子是介子的一種，其質量介於質子和電子之間。

例如π介子由一個夸克和一個反夸克組成，極不穩定，壽命約為80阿秒。

π介子主要衰變模式為衰變為兩個光子，這是由軸反常導致的。

影響

中性介子，如K介子、B介子、D介子，由夸克和反夸克組成，可作為物質和反物質的混合系統，是研究電荷-宇稱聯合對稱性破缺（CP破壞）的關鍵對象。通過介子的衰變來測量CP破壞，有助於解釋宇宙中物質遠多於反物質的現象。

對中性π介子（π0）衰變為雙光子的高精度測量，驗證了量子色動力學（QCD）的手征反常預測，為理論提供了基準檢驗。

中性介子（如π0）的產生和衰變可作為探針，用於研究夸克-膠子電漿（QGP）性質和初態核效應，例如在RHIC和LHC能區的碰撞實驗中。

ATLAS合作組對B0介子壽命的高精度測量，以及中性D介子混合參數的確定，這些進展增強了對標準模型弱力衰變的理解，並為探測新物理提供了線索。

相關研究

中性D介子（D0）是唯一可能發生混合的上型介子。LHCb實驗在2013年首次明確發現了D0—反D0混合。標準模型對D系統混合參數的預測存在很大的不確定性。在該系統中觀測到顯著的電荷-宇稱（CP）對稱性破缺將是新物理的明確信號。

2024年，ATLAS合作組利用大型強子對撞機（LHC）的數據，對電中性B0介子的壽命進行了迄今最精確的測量，結果為1.5053 ± 0.0037皮秒。這一高精度測量結果與重夸克模型的預測相符。

2021年，研究人員通過改進的Primakoff方法，將π0介子衰變為兩個光子（π0→γγ）的衰變寬度測量不確定度降低至1.50%。實驗結果證實了基於量子色動力學（QCD）手征反常的預測。

公布時間

2019年，經全國科學技術名詞審定委員會審定發布。

出處

《物理學名詞》第三版。

相關文獻記載了介子的早期發現歷程，1937年安德孫等發現宇宙射線中含有一種帶電的質點，其質量比質子的小但比電子的大，因而名之曰介子。1947年鮑威耳等發現π介子。在理論方面，湯川和坂田昌一探討雙介子交換問題時提出需要一種中性介子，凱默引入了一個中性介子來解釋核力的電荷獨立性。1950年發現中性π介子，斯坦柏格等人在同年證實了中性π介子的光致蛻變。

中性介子混合是一種味改變過程，在標準模型中通過箱圖發生，這種現象可在中性介子中發生。介子是由一個夸克和一個反夸克組成的物質和反物質的混合系統，是研究粒子與反粒子不對稱性的良好對象。B0介子特別適合用來研究CP破壞現象。中性D介子是唯一擁有三分之二電荷夸克的中性介子，LHCb合作組在2013年發現了D0介子混合。D0與行為之間的輕微不同是解決宇宙中物質遠多於反物質的關鍵。在D系統中觀測到CP破壞將是新物理的明確信號。

實驗研究對中性介子的性質進行了高精度測量。量子色動力學使用手征對稱性破缺的機制預測了中性π介子衰變為雙光子的過程。研究精確測量了π0衰變為雙光子的衰變寬度，結果與基於量子色動力學手征反常的預測一致。ATLAS合作組基於大型強子對撞機數據，測量出B0介子的壽命為1.5053皮秒，這是迄今為止對B0介子壽命最精確的測量結果。這些測量增強了對標準模型中弱力介導衰變的理解。