物质粒子（费米子）是否有寿命？
简单来说，绝大多数的基本费米子，比如电子、质子（虽然质子在标准模型中是基本粒子，但它有内部结构，不是不可分割的）以及中微子，在标准模型的框架下，是被认为没有固有寿命的，它们是稳定的。 也就是说，如果它们不与其他粒子发生相互作用，它们就会一直存在下去。
但是，“稳定”这个词在物理学里，有时候需要打个问号，或者说，它指的是在当前我们所能观测到的条件下，它们不会自发地衰变成其他粒子。这并不排除在某些极端条件下，或者在更深层的理论中，它们也可能发生变化。
我们来具体聊聊几种主要的费米子：
1. 电子（Electron）：
电子是我们再熟悉不过的费米子了，它带负电，是构成原子外层电子云的基本粒子。在所有已知的物理过程中，电子都被认为是完全稳定的。它不会自发衰变成其他粒子。为什么它稳定？这很大程度上与电荷守恒和轻子数守恒有关。电子带有一个单位的负电荷，而我们观测到的宇宙中，总电荷是不变的。如果电子能自发衰变成不带电的粒子（比如光子或中微子），那么电荷就不守恒了。同样，电子拥有一个轻子数（一种量子数），而轻子数在相互作用中也被认为是守恒的。电子衰变成没有轻子数的粒子，会破坏这个守恒律。因此，在标准模型下，电子被认为是永恒存在的。
2. 中微子（Neutrino）：
中微子是非常轻的粒子，几乎不与物质发生相互作用，所以它们非常难以探测。它们也带零电荷，是中性费米子。过去我们认为中微子是“无质量”的，但后来的实验表明它们是有微小质量的，并且可以发生中微子振荡——即一种类型的中微子可以变成另一种类型（例如，电子中微子变成μ子中微子）。这个振荡本身不是衰变，它更像是一种身份的转变。关于中微子是否有“寿命”，如果它们有质量，并且存在比它们质量更大的费米子（比如电子），那么理论上它们是可以衰变成更轻的粒子的。然而，目前已知最轻的费米子就是中微子了，它们没有更轻的带电荷或中性粒子可以衰变成（除非是光子，但光子是玻色子，且衰变过程需要满足其他守恒律）。一种可能的衰变途径是中微子衰变成一个光子和一个反电子中微子，但这种衰变非常非常缓慢，如果发生的话，其半衰期会远远超出宇宙的年龄。所以，对于我们当前的观测能力来说，中微子也可以被认为是极其长寿的，或者说在其“存在状态”上是稳定的。
3. 质子（Proton）：
质子是我们原子核的核心组成部分，带正电荷，由更小的粒子——夸克（两个上夸克和一个下夸克）构成。关于质子是否有寿命，这是一个非常有趣的问题，因为它触及了我们对物质最基本性质的理解。
在最基本的“标准模型”里，质子是被认为是稳定的。这同样涉及到守恒律，特别是重子数守恒。重子数是赋予重子（如质子、中子）的一种量子数。质子带一个重子数，而其组成夸克也都有重子数贡献。如果质子能自发衰变成更轻的粒子，比如π介子（一种介子，由夸克反夸克对组成）和正电子，那么重子数就不守恒了。
然而，许多超出标准模型的理论，比如一些大统一理论（GUTs），预言了质子可以发生质子衰变。在这些理论中，质子衰变并不是一个瞬间的过程，而是极其罕见的。如果质子会衰变，它的半衰期会非常非常长，以至于在我们的宇宙存在的时间尺度上，几乎看不到这种衰变。
物理学家们一直在进行实验来寻找质子衰变的证据。例如，意大利的大型地下实验——Soudan 2实验，以及后来的SuperKamiokande实验，都是通过探测大型水池中可能由质子衰变产生的粒子（如正电子、π介子等）来寻找证据。到目前为止，这些实验还没有明确观测到质子衰变。根据SuperKamiokande实验的最新数据，质子的半衰期被限制在 $1.65 imes 10^{34}$ 年以上（对于衰变成 $e^+ + pi^0$ 的模式）。这个数字是天文数字，远远超过了宇宙的年龄（大约 $1.38 imes 10^{10}$ 年）。这意味着，如果质子会衰变，它的速度极其缓慢。
那么，为什么我们说绝大多数基本费米子“稳定”呢？
这是因为在我们的宇宙中，能够让它们衰变的更轻的粒子并不存在，或者衰变所需的条件极难满足。例如，电子比任何其他已知的带电粒子都要轻，也没有其他带电粒子可以由它衰变成。质子虽然由夸克组成，但组成它的夸克加上能让重子数守恒的轻粒子，并没有比质子更轻的组合。
类比与理解：
你可以把费米子想象成乐高积木。有些乐高积木（如电子）的设计就是如此简单和基础，你无法再把它拆解成更小的、还能稳定存在的乐高积木碎片。而有些乐高积木（如质子）是由几块更小的积木（夸克）组合而成的。在常规的玩法下，这几块积木被牢牢地固定在一起，不易散开。但理论上，是否存在一种非常特殊的、几乎不可能用到的组合方式或外部力量，可以把它们拆开，变成别的组合？这正是质子衰变所探讨的。
总结一下：
电子、中微子（在实践中）可以被认为是稳定的。 它们不自发地衰变成其他粒子。
质子，在标准模型下是稳定的，但可能在超出标准模型的某些理论中存在一个极长的衰变寿命。 目前实验观测的上限表明，如果质子会衰变，它的寿命比宇宙年龄还要长得多得多。
所以，当我们谈论物质粒子（费米子）的“寿命”时，我们实际上是在讨论它们的“稳定性”以及它们是否可能通过衰变转变成其他粒子的过程。对于绝大多数我们熟悉的费米子而言，在现实世界中，它们是稳定且永恒存在的，除非与其他粒子发生碰撞或参与某些非常规的物理过程。质子则是一个特别的例子，它在理论上可能存在一个非常非常长的“衰变期”，但这是我们仍在努力探索的物理前沿。
网友意见
有。粒子不仅有寿命，粒子寿命甚至关系到宇宙的生死存亡……
开局一张图，剩下全靠编（划掉），让我们再再再次放出下面这张图，粒子物理学标准模型的基本粒子：
题主说的“物质粒子（费米子）”，大概是说的上图中的三代物质粒子（费米子）。粒子物理的标准模型包含了一系列基本粒子：
- 三代夸克、三代轻子，夸克和轻子都是费米子，自旋为1/2
- 传递相互作用的矢量玻色子，胶子、光子、Z和W玻色子，自旋为1
- 唯一自旋为0的标量玻色子——希格斯粒子
根据标准模型，宇宙的普通物质都由上图中的基本粒子（以及它们的反粒子）构成。比如一对正反夸克组成介子，三个夸克可以组成重子（例如中子和质子属于重子，都是由三个夸克组成的），质子和中子可以组成原子核，原子核加上电子就构成了原子，原子和原子组成分子，分子和原子可以构成我们周围的万事万物。
这些基本粒子是否有寿命？一般来说是有的，而且它们的寿命长短没什么规律，有的很长寿，有的很短命。不过也有特殊情况，比如对夸克来说，由于实验没有发现自由夸克，没有单独的夸克存在，也就无所谓寿命了，其它的轻子、玻色子是有寿命或者宽度的。
注意，当我们说粒子的寿命到了的时候，意思是说粒子发生了衰变，变成了别的一些粒子，原来的粒子不存在了。
知乎的两栖动物爱好者关心青蛙的寿命，粒子物理学的工作者则关心粒子的寿命。平时我们想知道粒子的寿命是多少，最直接的方法是查“粒子数据手册”：
粒子数据手册是粒子物理学实验工作者的圣经，几乎每篇粒子物理实验文章都会引用它，实验发现的所有粒子的质量、寿命、自旋、衰变等等性质，都可以在里面查阅。粒子数据手册有一本大的review，还有一本小的booklet，两种手册都有实体书，也有线上网站。这个手册有专人维护，每年把世界上各个实验的重要结果进行汇总，对粒子的测量结果进行更新。
我们通过粒子数据手册查阅：
- 夸克quarks是查不到寿命的，人们从来没有发现过单个夸克，实验上对自由夸克的搜寻目前还没有结果，也就无所谓夸克的寿命了。
- 轻子的寿命，电子（e）、μ子、τ子的寿命依次变短，电子很长寿，τ子很短命；中微子很难探测，目前实验给出的是寿命和质量之比的下限。
- 胶子（g），无所谓寿命。实验上的三喷注现象证明胶子存在，但胶子的“单质”，或者说胶球尚未被确定。
- 光子（γ），寿命无穷大。
- Z和W玻色子，实验测量了宽度。
- 希格斯玻色子H，宽度和寿命尚未精确测量，目前实验给了上限。
基本粒子在粒子数据手册中只是一小部分，手册上的大部分内容是各种复合粒子的性质，也是实验研究是重要对象。
实验发现，电子e、μ子、π介子、K介子、质子p、光子γ、中微子，以及它们对应的反粒子，是比较稳定的。除此之外的大部分已发现的粒子通常很不稳定，会发生衰变。人们通常把不进行强相互作用衰变的粒子称作“稳定”粒子（寿命大于 秒），这些稳定粒子一般通过电磁相互作用或者弱相互作用衰变。 粒子寿命的长短，通常跟衰变前后的质量差，以及衰变的相互作用类型有关[1]。
我们所说的粒子寿命，是指在粒子静止时（高速运动会导致粒子寿命的相对论延长），大量相同粒子的平均寿命，是一个分布函数。如果我们令N(t) 为t时刻时某种不稳定粒子的数目，在dt的时间间隔中，由于粒子发生衰变，粒子数减少了-dN，则-dN应正比于N，还正比于dt，那么有[2]
这里λ是衰变常数，解之得
粒子数目的分布函数是一个随时间衰减的指数函数，N(t0)是t=t0时的粒子数目，所有粒子的平均寿命，即所谓的粒子寿命是
粒子寿命是一个反映大数量粒子特征的统计量，它跟粒子的衰变常数是倒数关系，不同粒子的寿命不一样，一些典型粒子的寿命如下：
- 光子，非常稳定，寿命无限，
- 电子，非常稳定，实验测量了寿命的下限， 年
- μ子，虽然μ子和电子都是轻子，μ子的寿命却很短， 秒
- 中子， 秒
- 质子（也是费米子），非常稳定，实验测量了寿命的下限， 年
粒子物理学实验非常关心粒子寿命，对粒子寿命的测量是了解粒子性质的重要窗口，一些粒子的寿命甚至关系到宇宙的存在和演化，比如“质子衰变”，这是宇宙学和粒子物理学共同关心的难题。
我们周围的世界由分子和原子组成，而原子里面的原子核有质子，质子无处不在，极为重要，质子会衰变吗？质子的寿命是多少？这关系到宇宙的生死存亡。宇宙大爆炸的时候产生了一样多的正物质和反物质，为什么现在我们周围却都是正物质，反物质去哪了？这在物理学中被称为“正反物质不对称之谜”，它跟重子数守恒相关。
简单来说，根据标准模型，重子数是严格守恒的，那么质子作为最轻的重子，将严格稳定，寿命万寿无疆，永远不会衰变。
然而，一些比标准模型超前的理论则否定了重子数守恒，预言质子的寿命不是永恒的，质子也会衰变，质子衰变后产生一个正电子和一个中性π介子，即
不同的理论预言的质子寿命如下[3]
- 爱因斯坦梦寐以求的大统一理论预言质子寿命大约是 年
- 额外维模型预言质子寿命大约是 年
- 最小超对称模型预言质子寿命大约是 年
质子衰变必须有实验进行探测，才能给出理论的最终判决，否则理论只是一堆废纸。如果质子确实存在衰变，那么大统一理论基本设想的正确性就有了实验基础，进而为大爆炸宇宙学中的粒子生成提供理论基础，增进人们对宇宙演化的认识。
年是什么概念呢，是1后面跟30个零。作为比较，宇宙年龄138亿年，大约是1后面跟10个零……宇宙再怎么爆炸或塌缩，质子都能扛住！
质子寿命比宇宙年龄还大，那不就相当于质子是永生的嘛，这个寿命还怎么测？而且这种实验没有任何实用或经济价值，哪个国家脑子进水支持这种研究？
嗯，日本、美国和欧洲，甚至印度都有专门的实验进行质子衰变的探测。
印度在上世纪80年代就利用自己的柯拉金矿(Kolar GoldField，不是金坷垃)的矿井做实验测定质子的衰变，实验没有发现质子衰变，他们推算质子的寿命在 年的量级。除了印度人的实验，像欧洲人也在阿尔卑斯山脉的隧道搞实验，美国人在明尼苏达的矿洞和俄亥俄的盐矿中也有质子衰变的实验。
探测质子衰变最牛逼的是日本人，日本人在岐阜县的一个深达1000m的隧道中建设了神冈和超级神冈探测器，主要目标就是探测质子衰变，同时还能测量太阳、地球大气和超新星爆发产生的中微子。
超级神冈探测器是目前世界上最大的中微子探测器，主体是一个高41米、直径39米的圆柱形容器，里面装满了5万吨的，水。科学家在圆柱形容器的周围安装了11200只光电倍增管，仅这些光电倍增管就花了三千多万美元（不过没关系，日本人垄断了光电倍增管的生产，反正是日本滨松的国产货，肥水不流外人田）。
尽管神冈（Kamiokande）/超级神冈（Super-Kamiokande）还没有探测到质子衰变，但却意外探测到了太阳中微子/大气中微子，为日本赢得了2002年（小柴昌俊）/2015年（梶田隆章）的诺贝尔物理学奖。
日本人的实验从1982年开始，仍没有测到质子衰变，却坚持了近四十年，一直到今天。他们不仅没有放弃，甚至计划再次进行大升级。
2019年12月13日，日本内阁批准了日本科学家的提议，决定建造世界最大的探测器——顶级神冈探测器（Hyper-Kamiokande）。该探测器预计明年开始建造，2027年正式开始运行实验[4]。
“顶级神冈探测器”是“超级神冈探测器”的超级升级版，可以容纳 260,000 吨超纯水，是超级神冈探测器的五倍以上，使用的光电倍增管达到40000多个，对质子衰变的探测灵敏度也将大大提高，同时还能探测中微子。
中国在这方面并不落后，我们的“广东江门中微子实验”[5]，是日本顶级神冈的竞争对手。江门探测器使用的不是纯水，而是液体闪烁体，对低能中微子的探测灵敏度更有优势，能测量中微子质量顺序，也有搜寻质子衰变的潜力，与顶级神冈形成互补。
不仅如此，为了实现江门探测器的国产化，中国科学家还与国内军工企业合作，成功研制20英寸光电倍增管，打破了日本滨松公司在大尺寸光电倍增管的技术垄断，而且我们的光电倍增管价格比日本的便宜几千块[6]。江门中微子实验目前正在建设中，预计2022年投入运行。
随着中国逐渐开始支持更多的基础研究，在拓展人类认知边界的基础前沿，我们将会看到更多来自中国的贡献。
人类曾经认为永恒的存在，其实有着各自的生命周期。
总有那一天，人类的文明会走向终结，我们生活其上的淡蓝地球也将变成一片荒芜，我们的太阳和银河系也终将寿终正寝。在一切走向终结之前，在宇宙中占有重要地位的物质粒子——质子，生命是否是有限的？
【完】
参考
- ^ 章乃森，《粒子物理学》
- ^ 杨福家，《原子物理学》
- ^ 王瑞光, 戴长江. 质子衰变实验进展[J]. 物理, 2011, 40(03)
- ^Japan will build the world’s largest neutrino detector https://www.nature.com/articles/d41586-019-03874-w
- ^江门中微子实验简介 http://www.ihep.cas.cn/dkxzz/juno/JUNO_gaikuang/201308/t20130802_3908078.html
- ^见我从前的回答“有什么东西看起来不值钱却贵到不可思议？” https://www.zhihu.com/question/31919915/answer/152814290
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