μ子（渺子，muon）是一種帶有一個單位負電荷、自旋為1/2的基本粒子。μ子與同屬於輕子的電子和τ子具有相似的性質，人們至今未發現輕子具有任何內部結構。

在整個宇宙中，我們觀察到的每一件自然發生的事情都是由相同的幾種粒子組成，其中包括質子、中子、電子以及光子。當然自然界還存在著大量的中微子和反中微子，一些超大質量的暗物質粒子，以及在極短的時間內存在的大量不穩定的高能粒子，今天我們要說的μ子就是其中之一！

宇宙射線撞擊地球大氣後，在100公里處會產生高能粒子簇，其中就包括μ子，但μ子不穩定，在短短的2.2微秒就會衰變，就算以光速旅行它也只能行進660米，根本不足以到達地球表面，但由於相對論，在我們外部的觀察者來看，時間膨脹效應大大延長了μ子的飛行距離，使我們在地面上可以檢測達它。

那麼問題是：μ子到達地面的相對論效應是我們外部觀察者看到的，那μ子本身是如何看待這次旅行的？

μ子的來源

我們所知的一切，所有的原子、分子、行星、恆星、星雲和星系，這些物質都是由少數幾種已知的基本粒子構成的：光子、電子、膠子和上下夸克，它們構成質子和中子。現在宇宙中的中微子和反中微子目前很少發生相互作用（這跟它們自身的能量和反應橫截面有關），還有暗物質，它們之間只存在引力作用。

剩下的所有其他存在的基本粒子，以及所有其他能被創造出來的粒子，在本質上都不穩定，這意味著它們會隨著時間的推移衰變成更輕更穩定的粒子。

在所有的不穩定粒子中，μ子還算比較穩定，平均可以存在2.2微秒，比任何其他不穩定粒子存在的時間都要長一個數量級。μ子有點像電子的近親，擁有所有相同的屬性：

• 輕子數,

• 電荷,

• 自旋,

• 磁矩,

除了它的質量是電子的206倍，以及會在短時間內衰變為一個電子和兩個中微子。

這些μ子起源於大氣層的頂部，因為宇宙的高能粒子（宇宙射線）一直在撞擊我們的大氣層，宇宙射線中大多是質子，但它們以極高的能量進入大氣層，當它們撞擊高層大氣中的原子時，會自發地產生粒子簇射，包括物質-反物質對，以及重而不穩定的粒子，如π介子，然後π介子會發生衰變產生μ子。比較奇怪的是，如果你現在伸出手掌，大約每秒就會有一個μ子穿過你的手掌。

μ子在有限的壽命內為什麼會到達地面？

新粒子的產生現在對我們來說並不奇怪，因為E = mc^2，只要以足夠高的速度將兩個粒子相撞，就可以自發地創造出新的物質粒子（這就是對撞機的原理）。但奇怪的是即使μ子以接近光速的速度移動（30萬公里/秒），但它們的壽命只有2.2微秒，在衰變之前也只能移動大約660米。

還有這些μ子大約是在大氣層100公里處產生的，或者10萬米高！因此在我們看來，μ子永遠不會掉到地面上。然而，相對論告訴我們，當物體接近光速時，它們的時間會變慢。

從外部觀察者的角度來看，一個以99.9995%光速運動的μ子，它的時間流逝速度只有靜止的μ子的1/1000。因此平均來看，μ子可以飛660公里，而不是660米，然後才會衰變。這種差異對於一個平均壽命為2.2微秒的μ子來說，意味著它有86%的幾率擊中我們的手掌。如果沒有時間膨脹，這個幾率只有1 / 10^66。

那麼μ子是如何感知相對論效應呢？因為，在它的參照系中，μ子可以正常地感受到時間的流逝，它是在大氣層的頂端被創造出來的，而且必須一路到達地面。但是「一路到地面」對介子的意義和對我們的意義是不一樣的！

這裡插一句，想要強調的是，相對論之所以有相對兩個字，是因為相對論里的時間效應是相對於別人的，而不是我們自身感受到的效應。例如，我們以光速旅行，別人會看到我們的時間變慢了，但在我們自己看來，我們的時間流逝速度並沒有變化。你能活一百年還是一百年，但你的一百年相對於外部觀察者可能就是幾百年。

當μ子正常地感受時間流逝時，它還會看到周圍的世界以99.9995%的光速朝它移動。除了時間膨脹之外，μ子還會受到長度收縮的影響，這意味著μ子必須行進的100公里，在它看來只有100公里的千分之一，也就是100米。因此從μ子的角度來看，它有86%的幾率在衰變之前到達地面。

μ子的相對論效應也可以為我們帶來另外一種可能性：如果我們把μ子加速到接近光速的速度，就可以延長其壽命，那麼我們可以用它來建造終極粒子加速器/對撞機！

μ子將為下一代粒子加速器提供希望

為什麼這樣說呢？目前的加速器不管是大型強子對撞機（LHC），還是之前大型電子對撞機（LEP），它們分別加速的是電子和質子這兩個帶電粒子。

我們都知道帶電粒子在環形磁場中加速運動時，會以電磁波的形式發出同步加速輻射，並損失能量。當速度達到一定程度時，損失的能量會和加速器提供的能量相平衡。如果超過這個速度閾值，那麼損失的能量會大於加速器所提供的能量，因此這就成為粒子加速器加速粒子的障礙。

還有同步加速輻射損失的能量與帶電粒子質量的四次方成反比，也就是說帶電粒子質量越小，損失的能量就越多，而電子是最輕的帶電粒子，因此我們後來就選用了質子作為加速粒子，因為質子是電子質量的1836倍。但是質子也有它的缺點，質子並不是基本粒子，是由夸克和膠子組成，其在相撞時這些基本粒子會分散掉一部分能量，而且相撞後的場面可以說是一片混亂，會產生大量的「粒子碎片」，我們想在其中找到新粒子，就如大海撈針。

而μ子的性質正好處在電子和質子中間，它的質量是電子的206倍，這樣就可以減小同步加速輻射；並且μ子是基本粒子，相撞時不會產生能量分散，也不會造成大量的粒子碎片。之前反駁μ子加速器的不可能實現的原因是，它極端的壽命，但相對論完全解決了這個問題。

因此環形μ子加速器/對撞機很可能是未來粒子加速器的一個方向，它將有望超越LHC，進入宇宙的下一個可探測領域。