当我们谈论基本粒子是自然界的基础组成部分时，脑海中会浮现出这样一幅画面，只要把所有粒子粘在一起，我们便能随心所欲地得到任何东西。对于上下夸克（形成质子和中子的夸克）和电子而言，这或多或少是正确的。但标准模型的所有其他粒子呢？它们不会给你足够的时间来建造像城堡或飞机那样的东西，在你把它们粘在一起之前，它们就会衰变。这意味着它们只能存在很短的时间。不同粒子的存在时间也不同，有的短至882秒（比如自由中子），还有的短至10-25秒（比如顶夸克）。这个寿命只是在统计基础上定义的。如果你取一堆中子，等待882秒，即等到它们的寿命结束，仍有大约三分之一（1/e=0.368）的中子会仍然存在。其余的都衰变了。寿命只是一堆粒子存在时长的平均数，而非单个粒子的存在时长。粒子可能会立即衰变，也可能比它的“同伴”活得长很多。
粒子为什么会衰变
你可能会好奇为什么粒子会衰变。答案很简单：因为它们可以。除非有任何自然法则禁止这个过程，否则它就会发生。这样的自然法则通常是能量守恒定律。关于粒子加速器的一节中提到的小猪存钱罐不会衰变，除非你增加能量，（比如说用锤子）打破保持其结构的分子键联。大多数人想到小猪存钱罐衰变时，可能都会联想到它碎成数块的画面。对于衰变的原子核来说，这样的经典画面的确属实。铀原子核就可以简单地分解成两个较轻的部分。这个过程被称为核裂变。
原子核是由质子和中子（也是由夸克和胶子组成的物体）组成的复合物体。但真正的基本粒子如顶夸克……是基本的。如果它们不是由任何东西组成的，那么它们应该分解成什么呢？这看起来可能是个问题。但如果你问一个粒子物理学家关于粒子衰变的问题，他可能会告诉你，这个衰变其实指的是一种反应或过渡。让我们来看看顶夸克的衰变产物吧：一个底夸克和一个W玻色子。
W玻色子是弱相互作用的中介粒子。而这种弱相互作用是唯一能真正将粒子转化为其他粒子的相互作用。所以，与其说顶夸克衰变为底夸克和W玻色子，还不如说它通过弱相互作用转化成了底夸克。
要发生这样的事情，必须满足三个条件。首先，粒子需要携带一定的电荷，在这里便是弱荷。我们也可以说，顶夸克与W玻色子耦合。第二个条件是，衰变产物——或者更准确地说，它们的质量之和——一定要比衰变前更轻。母粒子的质量和衰变产物的质量差将作为衰变产物的动能（运动的能量）投入到系统中。最后一个条件是，所有的量子数都必须是守恒的（参见“守恒定律”一节）。
在这些条件下，自由中子可以衰变，但质子不可以。在一个质子转化为中子的过程中，一个上夸克通过弱相互作用转化为一个下夸克。如果一个下夸克转化为上夸克，就会有一个中子转化为质子。下夸克比上夸克略重，使得中子（由两个下夸克和一个上夸克组成）比质子（两个上夸克和一个下夸克）略重。因此，一个自由中子可以衰变成质子，但这个过程不能颠倒。“等等！”你现在可能会想，“那原子核的β衰变呢？在那个过程中，质子也会转化为中子。这怎么可能呢？”的确，在原子核内，质子是可以衰变的。这并不容易理解，但让我们说来试试：如果一个质子在原子核内转化为中子，那么原子核内的排斥性正电荷就会减少。强相互作用总是要与电磁相互作用相抗衡，才能使互斥的质子聚在一起。质子转化为中子时需要的结合能量就少了。然后这个能量就可以本着E=mc2的精神让质子转化为中子了。唉，这确实很难听懂。如果你想了解更多关于粒子物理学家绘制和计算衰变过程的方式，你可以去看看关于“费曼图”的章节。
从粒子衰变中我们可以了解到什么？
粒子衰变其实可以告诉你很多它们的特性。首先，你知道更轻的粒子一定存在。其次，通过了解衰变过程，你可以了解到很多关于粒子与其他粒子相互作用的方式。大多数时候，一个粒子的衰变方式并不只有一种，而是有好几种。你所需要的只是一个较轻的粒子，一个连接两者的相互作用，以及考虑到所有的守恒定律。一个粒子的可能性越多，它的寿命就越短。在没有办法衰变的情况下，它就永远活着。寿命的长短进一步取决于介于其中的相互作用的强度。μ子的寿命之所以出奇的长，是因为它只能通过弱相互作用进行衰变，而不能通过强相互作用或电磁相互作用进行衰变。粒子衰变的每一种具体方式都被称为“衰变通道”。有时不同粒子虽然具有相同的衰变通道，但它们的寿命却完全不同。物理学家在计算寿命时，除了要考虑相互作用强度和衰变通道数外，还要考虑一个重要方面：是否有足够的空间供粒子衰变？此处的“足够的空间”并非字面上的意思，它指的其实是“对这个过程所释放能量进行传播的足够可能性”。这个空间叫作“相空间”。母粒子和子粒子的质量差越大，可以传播的能量就越多。这也是中子和顶夸克的寿命差异大的部分解释。中子的质量只比质子的质量大1MeV，顶夸克的质量比底夸克和W玻色子的质量大89000MeV左右。粒子数据组（ParticleDataGroup）已经列出了所有基本粒子可能的衰变通道和寿命，如果你有兴趣的话，可以在他们的网站上查看这些令人印象深刻的列表[1]。
一个衰变的粒子，听起来你可能觉得它有些可怜。事实上它为你提供了一个很好的发现事物的方法！如“粒子探测器”一节所述，粒子只能通过与探测器的相互作用来被观测到。有些探测器只对带电粒子敏感，因此无法观测到中性粒子。举例来说，云室可让人看到带电粒子在云中的轨迹，从而让带电粒子“可见”。借助云室，物理学家巴特勒和罗彻斯特在1947年发现了中性的K介子。K介子是由一个奇夸克和一个反下夸克组成的粒子。由于它是中性的，所以它没有留下运动轨迹。事实上，K介子根本没有留下任何痕迹。可是在穿过几毫米厚的铅之后，它衰变了。
K介子衰变的产物是两个带电的π介子，可观察，可测量。如果你知道衰变粒子的方向、质量和速度，就可以推导出两个衰变产物的所谓“不变质量”，即衰变前的母粒子的质量。在这种情况下，它对应的是K介子的质量。对于许多其他粒子来说，这种通过衰变产物进行推导是观察它们的唯一方法，因为它们的寿命实在是太短了，无法被直接看到。
顺便说一句：你还认为“衰变”这个词不该属于善良友好的基本粒子，而应属于腐烂的僵尸吗？不是你一个人这么想。一群来自粒子物理研究机构CERN的物理学家制作了一部僵尸电影。大家可以在注释中的网站[2]上免费下载，现在，猜猜它的名字吧：《衰变》。
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