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title: "飞行中的中性 K 介子互动实验｜Sandbox Physics"
description: "中性 K 介子怎样一边衰变，一边在粒子与反粒子之间转换？中性 K 介子包含短寿命和长寿命两种成分。它们一边衰变，相对相位一边改变，粒子与反粒子的概率也随之变化。微小的 CP 破坏振幅还让长寿命成分能够衰变成一对带电派介子。"
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last_modified: "2026-10-24"
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P002 · 混合、衰变与 CP 破坏

# 中性 K 介子干涉仪

**中性 K 介子怎样一边衰变，一边在粒子与反粒子之间转换？** 中性 K 介子包含短寿命和长寿命两种成分。它们一边衰变，相对相位一边改变，粒子与反粒子的概率也随之变化。微小的 CP 破坏振幅还让长寿命成分能够衰变成一对带电派介子。

沿中性 K 介子束移动观测位置，追踪粒子在衰变时怎样改变味。再准备一束长寿命介子，找出罕见的带电派介子对衰变。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

拖动观测门。带电派介子对曲线用对数坐标，微小的 CP 敏感尾部也能看见。

概率以初始束流为分母。带电派介子对衰变率按一个短寿命计；对数纵轴显示长寿命分量微小的贡献。

模型和科学来源

模型是一束在真空中相干传播、动量相同的介子，混合满足 CPT 对称。参考数值取自 2024 年 PDG：短寿命为 89.54 皮秒，长寿命为 51.16 纳秒，间接 CP 振幅大小为 0.002228，相位为 43.51 度。带电派介子对振幅比用这个间接 CP 振幅近似；略去直接 CP 破坏、物质再生、波包分离和探测器本底。带电派介子对率包括短寿命态衰变成带电介子对的分支比。CP 比例可调是教学比较。束流线示意衰变路径，不是探测器模拟样本。

$$
g_{\pm}(t)=\frac{e^{-i m_S t-\Gamma_S t/2}\pm e^{-i m_L t-\Gamma_L t/2}}{2}
$$

- [PDG 2024 · CP violation in the quark sector](https://pdg.lbl.gov/2024/reviews/rpp2024-rev-cp-violation.pdf)
- [PDG 2024 · Short-lived neutral kaon](https://pdg.lbl.gov/2024/listings/rpp2024-list-K-zero-S.pdf)
- [PDG 2024 · Long-lived neutral kaon](https://pdg.lbl.gov/2024/listings/rpp2024-list-K-zero-L.pdf)

物理教程

## 束流一边衰变，一边改变味

**背景** 中性 K 介子和它的反粒子有共同的衰变通道。两者叠加，可以组成短寿命态和长寿命态。

**为什么值得理解** 两种分量积累的相位不同，消失的速度也不同。它们相互干涉，束流沿途的味概率就会变化。

先抓重点

- **核心问题**: 味混合、粒子损失和罕见的带电派介子对衰变，怎样放进同一幅图景？
- **一句话直觉**: 一个不稳定的量子叠加态，可以在存活概率下降时改变味。

### 核心数学模型

#### 两种分量在真空中的传播

$$
g_\pm(t)=\frac{e^{-i m_S t-\Gamma_S t/2}\pm e^{-i m_L t-\Gamma_L t/2}}{2}
$$

衰变宽度决定各分量消失的快慢，质量差决定两者相位拉开的速度。这个表达式采用自然单位。

#### 初始粒子态的带电派介子对衰变

$$
\frac{dP_{\pi\pi}}{d(t/\tau_S)}=\frac{B_{S\to\pi^+\pi^-}}{4|p|^2}\left|e_S(t)+\eta_{+-}e_L(t)\right|^2
$$

短寿命态和长寿命态衰变成同一终态的振幅可以干涉。模型用间接 CP 破坏参数近似微小的带电派介子对振幅比。

### 常见难点

#### 概率以初始束流为分母

**容易误解** 两种味的概率加起来，总应该等于一。

**正确理解** 它们相加得到存活比例。缺少的概率属于已经衰变的粒子。

#### 混合与 CP 破坏

**容易误解** 只要看见味振荡，就说明 CP 对称破坏了。

**正确理解** CP 守恒时也可以发生混合。长寿命态的带电派介子对通道才对微小的 CP 破坏振幅敏感。

### 动手实验

1. 01

   #### 沿束流追踪

   拖动观测门，沿束流移动。

   **你会看到：** 两种味的比例在变，存活的总比例逐渐下降。

2. 02

   #### 准备长寿命态

   选择“长寿命束的罕见带电派介子对衰变”。

   **你会看到：** 短寿命分量消失后，仍有微小但非零的带电派介子对衰变率。

3. 03

   #### 恢复对称

   选择“恢复 CP 对称”。

   **你会看到：** 在这个近似里，长寿命制备态的带电派介子对衰变率变成零。

物理结论

味改变和粒子衰变属于同一个传播过程；罕见的带电派介子对通道又提供了对 CP 对称的检验。

量子与场 · 入门路径

## 从一次测量开始

先预测结果，再数一数实际测到了什么。从一个量子比特出发，一路走到波包、束缚态和双光子干涉。

[从这里开始 → **量子态与 Born 测量** 先预测一个概率，转动分析器，再拿预测和多次测量得到的频率比一比。 观察 · 15 分钟](https://sandboxphysics.com/zh/labs/qubit-state/)

1. [1 量子态与 Born 测量](https://sandboxphysics.com/zh/labs/qubit-state/)
2. [2 Stern–Gerlach 顺序测量台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/stern-gerlach-sequence/)
3. [3 波包传播与不确定性](https://sandboxphysics.com/zh/labs/wave-packet-uncertainty/)
4. [4 量子谐振子态工作台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/quantum-harmonic-oscillator/)
5. [5 路径标记与量子擦除](https://sandboxphysics.com/zh/labs/quantum-eraser/)
6. [6 Hong–Ou–Mandel 两光子干涉](https://sandboxphysics.com/zh/labs/hong-ou-mandel/)

[查看完整路径 →](https://sandboxphysics.com/zh/topics/quantum/#starter-path)