【物理實驗】電子的壽命

■電子的壽命到底有多久?根據最新的實驗結果,電子的壽命至少有10^28年以上。

(Courtesy: Borexino Collaboration)
(Courtesy: Borexino Collaboration)

撰文|陳勁豪

電子是我們日常生活中最常見的基本粒子之一。在粒子物理的標準模型中,電子屬於輕子的一種,帶有一個負電荷,質量為511keV。一般認為電子是穩定的粒子,也就是說電子不會衰變成其他粒子。但是如果電子會衰變成其他粒子的話,根據能量守恆,電子必須衰變到其他更輕的粒子。但是在輕子中,比電子更輕的粒子是三種微中子,而微中子並不帶電荷,所以如果電子真的衰變成微中子,那麼電子所帶的電荷沒有地方可去。這樣一來便會違反電荷守恆。但是電荷守恆是標準模型的基本假設之一。因此,在標準模型裡面,電子衰變成一個微中子跟一個光子的反應根本不會發生。

儘管如此,Borexino實驗依舊決定挑戰這個實驗,實際觀察這個假想反應會不會出現。如果觀測到這個反應,將表示除了標準模型之外,還有物理學家所不知道的新法則存在。Borexino在義大利的Gran Sasso國家實驗室中,是個位於地底的實驗室。Borexino實驗基本上是偵測微中子為主,基本上類似一個大水桶,裝滿了約三百噸的有機液體,並在桶壁上裝設了2212個光電倍增管以觀察反應所發出的光子。

根據這個假想的反應,如果電子衰變的話,會產生一個微中子跟一個光子。所以他們的目標是觀測能量為256keV的光子,剛好是電子靜止質量的一半。這個實驗從2012年一月到2013年五月,一共觀測了408天。Borexino所裝滿的300噸的有機液體含有約10^32個電子,但是在合計408天的觀測中,並沒有發現任何預期出現的能量為256keV的光子。因此他們可以利用這些資料得到電子衰變的時間下限。如果這個反應會發生,要觀察到這個反應發生至少需要等上約6.6x10^28年。這個結果比Borexino上一次挑戰這個測量是在1998年的時候大了100倍。這個數字也比目前推估宇宙的年齡1.38x10^10年多了10^18倍,或是1的後面接上18個零。

Borexino實驗的發言人Gianpaolo Bellini認為,Borexino可以把實驗的衰變週期下限更進一步推到10^31年,約略與質子衰變的週期下限相當。科學家也可以用Borexino來觀測另一種電子衰變的假想反應,也就是一個電子衰變成三個微中子。無論是否能夠找到這些反應,這都將會讓粒子物理學家更進一步思考標準模型的下一步。

原始論文
Test of Electric Charge Conservation with Borexino
M. Agostini et al. (Borexino Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 115, 231802 – Published 3 December 2015

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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