费曼图与散射

共振(resonance)

在恰当的节奏上推秋千上的孩子,秋千会越荡越高;节奏不对,则几乎毫无效果。这种特别的、对上节拍的响应就是共振,它在自然界中无处不在——从给收音机调台,到歌手的一个音震碎玻璃杯。在粒子物理学中,同样的思想以一种引人注目的方式出现:当你在恰好合适的能量上对撞粒子时,反应的概率会骤然飙升,因为那个能量恰好对应着一个「想被创造出来」的转瞬即逝的粒子。

实际发生的是这样。如果碰撞能量等于某个不稳定粒子的质能,入射粒子就能短暂地并合成那个粒子,随后它再衰变。在那个魔法般的能量上,反应速率会冲到一个峰值;偏离它,速率又跌落下来。于是,共振既是一种现象(速率随能量变化曲线上的一个鼓包),更深刻地,也是一个短寿命粒子的标志。峰的位置告诉你这个粒子的质量,峰的宽度告诉你它衰变得有多快——通过不确定性原理,越宽的鼓包意味着寿命越短的粒子。

共振是大量粒子得以被发现的方式。许多短寿命的强子,以及著名的Z玻色子,最初都不是作为探测器里的径迹出现,而是作为「反应速率对碰撞能量」图上的峰出现的。坦白说,把一个共振称为粒子是个程度问题:寿命最短的共振存在的时间如此之短,与其说是有着确定而持久身份的物体,不如说更应被看作散射过程中的一种增强。但长寿命粒子与转瞬即逝的共振之间的界线,是寿命之别,而非种类之别。

当电子和正电子在逐渐变化的能量上对撞时,产生率一直保持平缓,直到能量达到约91 GeV,此处它突然剧烈飙升:那座高耸的峰,就是Z玻色子被共振地造了出来。峰的高度、位置和宽度,以极高的精度确定了Z的质量和寿命。

91 GeV处一座高耸的峰:按需造出的Z玻色子。

共振与粒子是同一事物的不同看法;寿命最短的共振存在得如此短暂,以至于该不该称它们为「粒子」在某种程度上是个约定问题,取决于寿命,而非任何分明的界线。

又称
resonant stateshort-lived particle共振态共振態