介子（meson）是自旋為整數、重子數為零的強子，參與強相互作用。介子由一個夸克和一個反夸克通過強相互作用結合在一起。由于介子由夸克子粒子組成，因此它們具有一定的物理尺寸，直徑約為1飛米（10?15 米），與質子、中子尺寸相當。所有介子都是不穩定的，壽命從10-8秒到不到10-22秒不等。它們的質量差異也很大，從140兆電子伏特（MeV；106 eV）到近10吉電子伏特（GeV；109 eV）。其質量范圍很廣，可能輕于電子，也可能遠大于質子。
介子是強子粒子家族的一部分，它們被簡單地定義為由兩個或更多個夸克組成的粒子。強子家族的其他成員是重子：由奇數價夸克（至少三個）組成的亞原子粒子。介子的主要特征有：都不能穩定存在，經過一定的平均壽命后就轉變為另一種基本粒子；自旋角動量都是的整數倍，均屬于玻色子；有的帶電荷，有的呈電中性，帶電介子可以衰變（有時是通過中間粒子）形成電子以及中微子，不帶電荷的介子衰變可能會放出光子。
1935年由日本物理學家湯川秀樹（Hideki Yukawa）通過核力計算預言了介子的存在，1936年由美國物理學家卡爾·大衛·安德森（Carl David Anderson）等人在研究云室中宇宙線的徑跡時發現介子并命名，1947年英國物理學家塞西爾·鮑威爾利用高空核乳膠技術在宇宙射線中發現π介子，測得質量約為電子273倍。1949年麥克米倫（E.McMillan）又利用加速器在實驗室中得到了人工π介子。
介子僅由夸克構成的粒子之間的相互碰撞得到，以短壽命產物的形式存在于自然界中。介子也可以通過高能粒子加速器中的質子、反質子或其他粒子的碰撞產生。介子根據其夸克含量、總角動量、宇稱和各種其他性質（例如C宇稱和G宇稱）進行分類。介子可能非常巨大，例如，包含粲夸克的J/Psi介子（J/ψ），于1974年由兩組相互獨立的物理學家首次發現，它的質量為3.1 GeV/c2，大約是質子質量的3.5倍。包含底夸克upsilon介子（?），于1977年首次被發現，它的質量約為質子的10倍。介子，可以用來重建夸克的運動，也是識別新夸克的一種方法。
歷史
曾經，人們日常生活中遇到的幾乎所有現象都可以用引力相互作用或電磁相互作用來描述。到了20世紀，人們為了解釋原子核結構與中子衰變，發展了強相互作用和弱相互作用的理論。湯川秀樹和恩利克·費米（Enrico Fermi）分別提出了介子交換理論和四費米子相互作用理論來解釋核子之間的作用力及中子的衰變。這兩種理論經過后續的發展與完善，最終在20世紀六七十年代發展成為量子色動力學（QCD）與電弱統一理論，構成了標準模型的基石。
1934年，湯川秀樹引入一種新的相互作用來解釋核子之間的吸引力。類似于帶電粒子通過交換光子實現電磁相互作用，核子通過交換介子實現相互作用，產生束縛力。湯川秀樹根據原子核的尺寸估計出介子的質量，因其質量介于電子質量和核子質量之間，故稱為介子。
湯川秀樹預言了傳遞核力的π介子之后，1936年繆子（μ）被發現，其質量最高可到150 MeV，非常接近湯川秀樹的預言，所以一開始人們認為這就是π介子，但后續的實驗發現繆子并不參與核反應。1939~1942年，兩位印度科學家薩特延德拉·玻色（Debendra Mohan Bose）和喬杜里（Bibha Chowdhuri）利用攝影感光片在印度的高海拔地區研究了宇宙射線。他們在宇宙射線中觀測到了質量約為200倍電子質量的粒子。1947年，塞西爾·鮑威爾（Cecil Powell）等人改進了這種方法，獨立地在宇宙射線中觀測到了π介子，他們還發現π介子參與了核子的相互作用，進一步支持它就是湯川秀樹預言的π介子。
人們就試圖理解這些“基本”粒子的內部結構進而對它們進行分類，包括1956年的坂田（Sakata）模型和1961年默里·蓋爾曼與Yuval Ne’eman提出的八重法（eightfold way），以及1964年默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和喬治·茨威格（GeorgeZweig）提出的夸克模型。夸克模型可以很好地對實驗中發現的介子和重子進行分類，將他們放入SU（3）群的多重態中。在此期間，已經產生了200多個介子并對其進行了描述，其中大部分是在高能粒子加速器實驗中產生的。
概述
在粒子物理學中，強子直接參與強相互作用，而且能夠單個存在的最小粒子。強子分為兩大類：重子（由三個夸克組成）和介子（由一個夸克和一個反夸克組成）。介子包括了除光子、中間玻色子和膠子外全部已知的整數自旋的粒子。
自旋、軌道角動量和總角動量
各種微觀粒子（包括電子）或者復合粒子（原子，原子核等）有一種重要特性，具有內稟的角動量和內稟的磁矩，這個屬性稱為自旋。電子繞核運動具有角動量和磁矩，這是空間運動而使電子具有軌道角動量和軌道磁矩，電子的內稟角動量和內稟磁矩稱為自旋角動量和自旋磁矩。
P宇稱
P宇稱是左右宇稱，或空間宇稱，是發現的幾個“宇稱”中的第一個，因此通常被稱為“宇稱”。如果宇宙被反射在鏡子里，大多數物理定律都是相同的——無論我們稱之為“左”和“右”，事物的行為方式都是一樣的。這種鏡面反射的概念稱為P宇稱。無論宇宙是否在鏡子中反射，引力、電磁力和強相互作用都以相同的方式運行，因此被稱為P宇稱。然而，弱相互作用確實區分了“左”和“右”，這種現象稱為P宇稱破壞。基于此，人們可能會認為，如果每個粒子的波函數同時進行鏡像反轉，那么新的波函數集將完全滿足物理定律（除了弱相互作用）。事實證明，這并不完全正確：為了滿足方程，除了鏡像反轉之外，某些類型粒子的波函數還必須乘以-1。這種粒子類型被稱為負宇稱（P=?1，或P=?），而其他粒子被稱為正宇稱（P=+1，或P=+）。對于介子，宇稱與軌道角動量的關系如下：
其中L是波函數相應球諧波宇稱的結果。“+1”即根據狄拉克方程，夸克和反夸克具有相反的內在宇稱。因此，介子的內在宇稱是夸克（+1）和反夸克（?1）的內在宇稱的產物。由于這些是不同的，它們的乘積是?1，因此它貢獻了指數中出現的“+1”。因此，所有沒有軌道角動量（L=0）的介子都具有宇稱（P=?1）。
C宇稱
C宇稱僅針對其自身的反粒子介子（即中性介子）定義。它表示介子的波函數在夸克與反夸克的互換下是否保持不變。如果，那么，介子是“C正宇稱”（C=+1）。如果，則介子為“C負宇稱”（C=?1）。
C宇稱很少單獨研究，但更常見的是與P宇稱結合到CP宇稱。CP宇稱最初被認為是守恒的，但后來發現在極少數情況下在弱相互作用中被違反。
G宇稱
G宇稱是C宇稱的概括。它不是簡單地比較交換夸克和反夸克后的波函數，而是不管夸克含量如何，比較交換介子換成相應的逆時子后的波函數。如果，那么，介子是“G正宇稱”（G=+1）。另一方面，如果，那么介子是“G負宇稱”（G=?1）。
同自旋和電荷
原始的同自旋模型
同位旋的概念最早是由海森伯格（Werner Heisenberg）于1932年提出的，用于解釋強相互作用下質子和中子之間的相似性。盡管它們具有不同的電荷，但它們的質量非常相似，以至于物理學家認為它們實際上是同一個粒子。不同的電荷被解釋為某種類似于自旋的未知激發的結果。這種未知的激發后來在1937年被尤金·維格納（Eugene Wigner）稱為同位旋。
由夸克模型替換
這種信念一直持續到默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）在1964年提出夸克模型（最初只包含u、d和s夸克）。同位旋模型的成功現在被理解為u夸克和d夸克質量相似的產物。因為u夸克和d夸克的質量相似，所以由相同數量的夸克組成的粒子也具有相似的質量。確切的u夸克和d夸克組成決定了電荷，因為u夸克攜帶電荷+2/3而D夸克帶電荷?1/3。
風味量子數
電荷（Q）與蓋爾曼-西島公式（Gell-Mann-Nishijima）公式的同位旋投影（I3）、重子數（B）和風味量子數（S，C，B′，T）有關，即：，其中S、C、B′和T分別代表奇、粲、底和頂風味量子數。它們與奇夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克和反夸克的數量有關，根據關系：
這意味著Gell-Mann-Nishijima公式等價于夸克含量的電荷表達式：
分類
介子根據其等自旋（I）、總角動量（J）、P宇稱（P）、G宇稱（G）或C宇稱（C）（如適用）和夸克（q）含量分為幾組。分類規則由粒子數據組定義，并且相當復雜。
自旋為零的介子，視其宇稱為正或為負又分別稱為標量介子和贗標介子。自旋為1的介子，視其宇稱為正或為負又分別稱為軸矢介子和向量介子。
偽標量介子
介子的基態，當組成夸克反夸克的L=0，S=0（用符號1S0表示）時對應一組JP=0-的介子，稱為贗標介子。它們的主要量子數列表如下：
矢量介子
當組成夸克和反夸克的L=0，S=1（用符號3S1表示），對應著另一組介子，稱為矢量介子。它們的量子數列表如下：
無味介子
無味介子是由一對相同風味的夸克和反夸克組成的介子（它們所有的風味量子數都為零：S=0，C=0，B′=0，T=0）。
調味介子
調味介子是由一對不同風味的夸克和反夸克組成的介子。在這種情況下，規則更簡單：主符號取決于較重的夸克，上標取決于電荷，下標（如果有的話）取決于較輕的夸克。
研究進展
2006年9月25日，伊利諾伊州雅加達美國能源部費米國家加速器實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory）的對撞機探測器（CDF）合作科學家正式宣布：他們發現了B-sub-s介子的快速變化行為，該介子在物質和反物質之間每秒切換3萬億次。CDF對振蕩率的發現，加強了標準模型的有效性，該模型控制著物理學家對基本粒子和力的理解；縮小超對稱的可能形式，該理論提出每個已知粒子都有自己質量更大的“超”伙伴粒子。
2021年LHCb的研究中，中性底介子、粲介子和K介子是粒子物理標準模型中僅有的四種可以在正反物質粒子之間“振蕩”的粒子，猶如“薛定諤的貓”，正反粒子“振蕩”是量子力學重要性質的體現。
應用
量子物理學
盡管介子不穩定，但許多介子的持續時間足夠長（幾十億分之一秒），可以用粒子探測器觀測到，這使得研究人員有可能重建夸克的運動。任何試圖解釋夸克的模型都必須正確闡明介子的行為。由物理學家默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和尤瓦爾-尼勒姆-貝曼（Yuval Ne?eman）設計的"八重道"——現代夸克模型的先驅--的早期成功之一是預測并隨后發現了埃塔介子（1962年）。幾年后，π介子衰變為兩個光子的速率被用來支持夸克可以呈現三種"色"之一的假說。對K介子通過弱作用力發生的競爭衰變模式的研究，使人們更好地理解了宇稱（一種基本粒子或物理系統的性質，表明其鏡像在自然界中是否存在）及其在弱相互作用中的不守恒性。CP違反（違反與電荷[C]和宇稱[P]相關的組合守恒定律）首先是在K介子系統中發現的，目前正在對B介子（包含底夸克）進行研究。
介子也是識別新夸克的一種方法。1974年，美國物理學家塞繆爾-丁（Samuel C.C. Ting）和伯頓·里克特（Burton Richter）領導的研究小組獨立發現了J/psi粒子，證明它是由粲夸克和反夸克組成的介子。（在此之前，人們一直假設有三種夸克類型--上夸克、下夸克和奇夸克）。它是粲的首次表現，粲是一個新的量子數，它的存在意味著夸克是成對存在的。隨后發現的另一種重介子——u介子——揭示了底夸克及其伴隨的反夸克的存在，并引發了對伴生粒子——頂夸克——存在的猜測。這第六種夸克類型或"風味"于1995年被發現。頂夸克存在的確鑿證據將尋找粒子物理學標準模型中最后一塊缺失的碎片推向了高潮，標準模型描述了基本粒子及其相互作用。
2023年8月10日，費米實驗室的介子實驗均為介子研究的最新進展，例如奇異介子的研究、μ介子g-2實驗等，該實驗測量結果使粒子物理學更接近理論與實驗的最終較量。
醫學影像
μ介子斷層掃描技術是一種新興的探測成像技術，具備三維成像、零放射性污染、成本低、檢測速度快、應用范圍廣等優點，尤其是在核材料探測領域的應用價值較高。
盡管介子本身不直接用于腫瘤的診斷與治療，但基于粒子物理學原理的技術（如質子治療、重離子治療等）在腫瘤治療中已經取得了顯著進展。這些技術利用粒子束的高能量和精確控制性來破壞腫瘤細胞，同時減少對周圍正常組織的損傷。
材料科學
μ子在材料科學中有著廣泛的應用。繆子自旋弛豫-共振（μSR）技術是一種將μ子注入待測物質中，探測μ子衰變產生的正電子的角分布來得到物質內部信息的技術。這種技術廣泛用于磁性材料的局部靜態和動態微小磁場的測量。
奇異介子
有實驗證據表明，強子（即由夸克組成）和色中性粒子具有零重子數，因此根據傳統定義，它們是介子。然而，這些粒子并不像上面討論的所有其他傳統介子那樣由單個夸克/反夸克對組成。這些粒子的一個初步分類是奇異介子。至少有五個奇異介子共振態已經通過兩個或多個獨立的實驗實驗證實存在。其中最具統計意義的是Z（4430），由2007年的Belle實驗發現，并由大型強子對撞機合租項目（Large Hadron Collider beauty，LHCb）于2014年證實。它是由兩個夸克和兩個反夸克組成的粒子。
參考資料 >
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