μ子是粒子物理学标准模型中属于轻子家族的一种基本粒子。它用 μ⁻ 表示，具有与电子相同的负电荷，但质量约为电子的207倍。它的反粒子称为正μ子或反μ子，用 μ⁺ 表示。μ子是不稳定的：自由μ子的平均寿命约为2.197微秒，随后会衰变为更轻的粒子。μ子天然存在于宇宙射线簇射中，也可以用加速器产生。(pdg.lbl.gov)
物理性质与分类
μ子的静止质量约为105.658 MeV/c²，其中 MeV 表示一百万电子伏特，c 为光速。它的自旋角动量量子数为1/2，因此属于费米子。在标准模型中，它是第二代带电轻子，与μ子中微子配对。电子和τ子则分别是第一代和第三代的带电轻子。(pdg.lbl.gov)
μ子参与电磁相互作用和弱相互作用。与夸克不同，μ子不带色荷，也不直接与强相互作用耦合。μ子被视为基本粒子，而非复合粒子。因此，历史上使用的“μ介子”这一名称容易造成误解：介子是参与强相互作用的复合粒子，而μ子是轻子。(psi.ch)
发现与历史意义
卡尔·D. 安德森和塞思·内德迈耶于1936年研究宇宙射线时发现了μ子。他们观测到一些行为不同于电子的粒子，包括这些粒子在磁场中的轨迹弯曲情况。这一发现为当时逐渐形成的亚原子粒子谱系增添了一种类似电子、但质量更大的粒子。它的发现早于现代按轻子家族和世代划分粒子的分类体系。(muoncollider.web.cern.ch)
此后，μ子研究与相对论运动的检验密切联系起来。宇宙射线观测和加速器实验使研究人员能够将高速运动μ子的衰变情况与其静止时的寿命进行比较，从而对狭义相对论开展实验检验。(cds.cern.ch)
产生、衰变与寿命
天然μ子是高能宇宙射线撞击地球大气层中的原子核后产生的次级粒子。这些碰撞产生的粒子簇射含有π介子，π介子衰变后产生μ子。加速器设施采用类似的过程：高能质子束撞击靶材，产生π介子，后者再衰变为μ子。随后，磁场系统对生成的μ子束进行筛选和输运。(muoncollider.web.cern.ch)
主要衰变道为
其中，ν 表示中微子，上横线表示反中微子，e⁺ 是正电子。这一衰变由弱相互作用介导。由于可用的能量和动量由三个粒子共同分担，发射出的电子或正电子并不具有单一的固定能量。对其能量分布和角分布进行精细测量，可以检验弱相互作用的结构。(neutrinos.fnal.gov)
上述寿命是平均寿命，并非每个μ子都在这一固定时刻衰变。对于静止的自由μ子，尚未衰变的粒子数近似遵循
其中 τ ≈ 2.197 μs。对于相对实验室以速度 v 运动的μ子，时间膨胀使其在实验室参考系中的平均寿命变为 γτ，其中
寿命的延长使许多在大气中产生的μ子能够到达地面。欧洲核子研究中心（CERN）μ子储存环中的测量直接证实了这种相对论性寿命延长。(psi.ch)
与物质的相互作用及束缚态
高能μ子能够穿透相当厚的物质，因此可用于探测常规表面观测无法触及的结构。μ子层析成像也称μ子成像，通过测量穿过物体的μ子的吸收或散射，重建物体的信息。根据所用技术的不同，这些测量可以约束μ子沿轨迹经过的物质特征，或揭示物体内部密度和成分的变化。(arxiv.org)
负μ子可以替代原子中的一个电子，形成μ子原子。由于μ子的质量大得多，其轨道也小得多，使其波函数更靠近原子核。因此，跃迁能量对核电荷分布十分敏感。对μ子氢和其他μ子原子的测量结合理论计算，可以精确确定原子核的电荷半径。(psi.ch)
研究应用
μ子的磁性质可用于对基础物理进行高灵敏度检验。其反常磁矩通常表示为 。实验通过测量μ子在精确控制的磁场中的自旋进动来确定这一物理量。将测量结果与标准模型计算进行比较，可以探究已知相互作用的贡献，并对可能存在的额外粒子或作用力施加约束。费米实验室的μ子 g−2 实验于2025年6月3日公布了最终测量结果。(news.fnal.gov)
在μ子自旋谱学中，极化的正μ子被注入材料。它们衰变产生的正电子的角分布记录了μ子自旋极化随时间的演化。因此，μ子可以充当探测磁场和磁涨落的局域探针，应用于磁性、超导现象、薄膜和界面研究。(psi.ch)
μ子对撞机是μ子束的一项拟议应用。与电子相比，μ子在环形加速器中因同步辐射而损失的能量少得多。然而，μ子的寿命很短，对束流的产生、制备和快速加速提出了苛刻要求。(home.cern)