弱相互作用
弱相互作用（又称弱力或弱核力）是自然的四种基本力中的一种，其余三种为强相互作用、电磁力和引力。亚原子粒子的放射性衰变就是由它引起的，恒星中一种叫氢聚变的过程也是由它启动的。弱相互作用会影响所有的费米子，即所有自旋为半奇数的粒子。
在粒子物理学的标准模型中，弱相互作用的理论指出，它是由W及Z玻色子的交换（即发射及吸收）所引起的，由于弱力是由玻色子的发射（或吸收）所造成的，所以它是一种非接触力。这种发射中最有名的是β衰变，它是放射性的一种表现。重的粒子性质不稳定，由于Z及W玻色子比质子或中子重得多，所以弱相互作用的作用距离非常短。这种相互作用叫做“弱”，是因为β衰变发生的概率比强相互作用低很多[1]，表示它的一般强度比电磁及强相互作用弱好几个数量级。大部分粒子在一段时间后，都会通过弱相互作用衰变。弱相互作用有一种独一无二的特性——那就是夸克味变——其他相互作用做不到这一点。另外，它还会破坏宇称对称及CP对称。夸克的味变使得夸克能够在六种“味”之间互换。
弱力最早的描述是在1930年代，是四费米子接触相互作用的费米理论：接触指的是没有作用距离（即完全靠物理接触）。但是现在最好是用有作用距离的场来描述它，尽管那个距离很短。在1968年，电磁与弱相互作用统一，它们是同一种力的两个表征，现在叫弱电相互作用。
弱相互作用在粒子的β衰变中最为明显，在由氢生产重氢和氦的过程中（恒星热核反应的能量来源）也很明显。放射性碳定年法用的就是这样的衰变，此时碳-14通过弱相互作用衰变成氮-14。它也可以造出辐射冷光，常见于超重氢照明；也造就β放射这个应用领域（把β射线的电子当电流用）[2]。
性质
弱相互作用有如下的数项特点：
由于弱相互作用载体粒子（W及Z玻色子）质量很大（约 90 GeV/c2[3]），所以他们的寿命很短：平均寿命约为 3 × 10-25秒[4]。弱相互作用的耦合常数（相互作用强度的一个指标）介乎10−7与10−6之间，而相比下，强相互作用的耦合常数约为1[5]，故就强度而言，弱相互作用是弱的[6]。弱相互作用的作用距离很短（约为10−17–10−16 m[6]）[5]。在大约10−18米的距离下，弱相互作用的强度与电磁大约一致；但在大约3×10−17的距离下，弱相互作用比电磁弱一万倍[7]。
在标准模型中，弱相互作用会影响所有费米子，还有希格斯玻色子；弱相互作用是除引力相互作用外唯一一种对中微子有效的相互作用[6]。弱相互作用并不产生束缚态（它也不需要束缚能），而重力、电磁力和强核力则分别会在天文、原子、原子核的尺度下产生束缚态[8]。
它最明显的过程是由第一项特点所造成的：味变。比方说，一个中子比一个质子（中子的核子拍档）重，但它不能在没有变味（种类）的情况下衰变成质子，它两个“d夸克”中的一个需要变成“u夸克”。由于强相互作用和电磁相互作用都不允许味变，所以它一定要用弱相互作用；没有弱相互作用的话：夸克的特性，如奇异及魅（与同名的夸克相关），会在所有相互作用下守恒。因为弱衰变的关系，所以所有介子都不稳定[9]。在β衰变这个过程下，中子里面的“d夸克”，会发射出一个虚
W−
玻色子，它随即衰变成一电子及一反电中微子[10]。
由于玻色子的大质量，所以弱衰变相对于强或电磁衰变，可能性是比较低的，因此发生得比较慢。例如，一个中性π介子在通过电磁衰变时，寿命约为10-16秒；而一个带电π介子的通过弱核力衰变时，寿命约为10-8秒，是前者的一亿倍[11]。相比下，一个自由中子（通过弱相互作用衰变）的寿命约为15分钟[10]。
弱同位旋与弱超荷
| 第一代 | 第二代 | 第三代 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 费米子 | 符号 | 弱 同位旋 |
费米子 | 符号 | 弱 同位旋 |
费米子 | 符号 | 弱 同位旋 |
| 电子 | μ子 | τ子 | ||||||
| 电中微子 | μ中微子 | τ中微子 | ||||||
| u夸克 | c夸克 | t夸克 | ||||||
| d夸克 | s夸克 | b夸克 | ||||||
| 所有左手反粒子的弱同位旋均为零。右手反粒子的弱同位旋与左手粒子相反。 | ||||||||
弱同位旋（T3）是所有粒子都拥有的一种性质（量子数），决定了粒子在弱相互作用下该如何反应[13]。对于弱相互作用来说，弱同位旋的作用跟电磁相互作用中的电荷，或者是强相互作用中的色荷一样。所有费米子的弱同位旋均为+1⁄2或-1⁄2，例如u夸克的弱同位旋为+1⁄2，而d夸克的弱同位旋则为-1⁄2。另一方面，在弱衰变的前后，夸克的T3永远是不一样的。也就是说，T3 = +1⁄2的上型夸克（上、粲(魅)及顶），在弱衰变后必须变为T3 = −1⁄2的下型夸克（下、奇及底），反之亦然。
π+
介子
弱同位旋是守恒的：反应产物的弱同位旋总和，等于反应物的弱同位旋总和。例如，一左手
π+
介子，弱同位旋为+1，一般衰变成一
ν
μ（+1⁄2）及一
μ+
（+1⁄2，因为是右手反粒子）[11]。
在电弱理论中，粒子有一种新的性质，称为弱超荷。它的数值由粒子的电荷及弱同位旋决定：
- ，
其中YW为粒子的弱超荷，Q为电荷（以基本电荷为单位）及T3为弱同位旋。弱超荷是U(1)部分生成元的规范群[14]。
对称破缺
长久以来，人们以为自然定律在镜像反射后会维持不变，镜像反射等同把所有空间轴反转。也就是说在镜中看实验，跟把实验设备转成镜像方向后看实验，两者的实验结果会是一样的。这条所谓的定律叫宇称守恒，经典重力、电磁及强相互作用都遵守这条定律；它被假定为一条万物通用的定律[15]。然而，在1950年代中期，杨振宁与李政道提出弱相互作用可能会破坏这一条定律[16]。吴健雄与同事于1957年发现了弱相互作用的宇称不守恒[17]，为杨振宁与李政道带来了1957年的诺贝尔物理学奖[18]。
尽管以前用费米理论就能描述弱相互作用，但是在发现宇称不守恒及重整化理论后，弱相互作用需要一种新的描述手法。在1957年罗伯特·马沙克与乔治·苏达尚[19]，及稍后理查德·费曼与默里·盖尔曼[20]，提出弱相互作用的V−A（矢量V减轴矢量A或左手性）拉格朗日量。在这套理论中，弱相互作用只作用于左手粒子（或右手反粒子）。由于左手粒子的镜像反射是右手粒子，所以这解释了宇称的最大破坏。有趣的是，由于V−A开发时还未有发现Z玻色子，所以理论并没有包括进入中性流相互作用的右手场。
然而，该理论允许复合对称CP守恒。CP由两部分组成，宇称P（左右互换）及电荷共轭C（把粒子换成反粒子）。1964年的一个发现完全出乎物理学家的意料，詹姆斯·克罗宁与瓦尔·菲奇以K介子衰变，为弱相互作用下CP对称破缺提供了明确的证据，二人因此获得1980年的诺贝尔物理学奖[21]。小林诚与益川敏英于1972年指出，弱相互作用的CP破坏，需要两代以上的粒子[22]，因此这项发现实际上预测第三代粒子的存在，而这个预测在2008年为他们带来半个诺贝尔物理学奖[23]。跟宇称不守恒不一样，CP破坏的发生概率并不高，但是它仍是解答宇宙间物质反物质失衡的一大关键；它因此成了安德烈·萨哈罗夫的重子产生过程三大条件之一[24]。
相互作用类型
弱相互作用共有两种。第一种叫“带电流”，因为负责传递它的粒子带电荷（
W+
或
W−
），β衰变就是由它所引起的。第二种叫“中性流”，因为负责传递它的粒子，Z玻色子，是中性的（不带电荷）。
带电流
W−
玻色子。
在其中一种带电流中，一带电荷的轻子（例如电子或μ子，电荷为−1）可以吸收一
W+
玻色子（电荷为+1），然后转化成对应的中微子（电荷为0），而中微子（电子、μ及τ）的类型（代）跟相互作用前的轻子一致，例如：
同样地，一下型夸克（电荷为−1⁄3）可以通过发射一
W−
玻色子，或吸收一
W+
玻色子，来转化成一上型夸克（电荷为+2⁄3）。更准确地，下型夸克变成了上型夸克的量子叠加态：也就是说，它有着转化成三种上型夸克中任何一种的可能性，可能性的大小由CKM矩阵所描述。相反地，一上型夸克可以发射一
W+
玻色子，或吸收一
W−
玻色子，然后转化成一下型夸克：
由于W玻色子很不稳定，所以它寿命很短，很快就发生衰变。例如：
W玻色子可以衰变成其他产物，可能性不一[25]。
在中子所谓的β衰变中（见上图），中子内的一d夸克，发射出一虚
W−
玻色子，并因此转化成一u夸克，中子亦因此转化成质子。由于过程中的能量（即d夸克与u夸克间的质量差），
W−
只能转化成一电子及一反电中微子[26]。在夸克的层次，过程可由下式所述：
中性流
在中性流相互作用中，一夸克或一轻子（例如一电子或μ子）发射或吸收一中性Z玻色子。例如：
跟W玻色子一样，Z玻色子也会迅速衰变[25]，例如：
电弱理论
在粒子物理学的标准模型描述中，弱相互作用与电磁相互作用是同一种相互作用的不同方面，叫弱电相互作用，这套理论在1968年发表，开发者为谢尔登·格拉肖[27]、阿卜杜勒·萨拉姆[28]与史蒂文·温伯格[29]。他们的研究在1979年获得了诺贝尔物理学奖的肯定[30]。希格斯机制解释了三种大质量玻色子（弱相互作用的三种载体）的存在，还有电磁相互作用的无质量光子[31]。
根据电弱理论，在能量非常高的时候，宇宙共有四种无质量的规范玻色子场，它们跟光子类似，还有一个复矢量希格斯场双重态。然而在能量低的时候，规范对称会出现自发破缺，变成电磁相互作用的U(1)对称（其中一个希格斯场有了真空期望值）。虽然这种对称破缺会产生三种无质量玻色子，但是它们会与三股光子类场融合，这样希格斯机制会为它们带来质量。这三股场就成为了弱相互作用的
W+
、
W−
及Z玻色子，而第四股规范场则继续保持无质量，也就是电磁相互作用的光子[31]。
虽然这套理论作出好几个预测，包括在Z及W玻色子发现前预测到它们的质量，但是希格斯玻色子本身仍未被发现。欧洲核子研究组织辖下的大型强子对撞机，它其中一项主要任务，就是要生产出希格斯玻色子[32]。 2013年3月14日，欧洲核子研究组织发布新闻稿，正式宣布探测到新的粒子，即希格斯玻色子。[33][34]
参考资料
注释
- ^ 弱交互作用有什麼用？. [2018-03-11]. （原始内容存档于2022-05-08）.
- ^ The Nobel Prize in Physics 1979: Press Release. NobelPrize.org. Nobel Media. [2011-03-22]. （原始内容存档于2017-12-04）.
- ^ W.-M. Yao et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics: Quarks (PDF). Journal of Physics G. 2006, 33: 1 [2011-07-29]. Bibcode:2006JPhG...33....1Y. arXiv:astro-ph/0601168
. doi:10.1088/0954-3899/33/1/001. （原始内容存档 (PDF)于2017-01-25）.
- ^ Peter Watkins. Story of the W and Z. Cambridge: Cambridge University Press. 1986: 70 [2011-07-29]. ISBN 9780521318754. （原始内容存档于2012-11-14）.
- ^ 5.0 5.1 Coupling Constants for the Fundamental Forces. HyperPhysics. Georgia State University. [2011-03-02]. （原始内容存档于2010-07-14）.
- ^ 6.0 6.1 6.2 J. Christman. The Weak Interaction (PDF). Physnet. Michigan State University. 2001. （原始内容 (PDF)存档于2011-07-20）.
- ^ Electroweak. The Particle Adventure. Particle Data Group. [2011-03-03]. （原始内容存档于2020-05-29）.
- ^ Walter Greiner; Berndt Müller. Gauge Theory of Weak Interactions. Springer. 2009: 2 [2011-07-29]. ISBN 9783540878421. （原始内容存档于2014-11-29）.
- ^ Cottingham & Greenwood 2001，第29页
- ^ 10.0 10.1 Cottingham & Greenwood 2001，第28页
- ^ 11.0 11.1 Cottingham & Greenwood 2001，第30页
- ^ John C. Baez and John Huerta, The Algebra of Grand Unified Theories, Department of Mathematics, University of California, 2009 [2011-03-07], （原始内容存档于2018-08-14）
- ^ Griffiths 1987，第344页
- ^ T-P Chang; L-F Li. Gauge Theory of Elementary Particle Physics. Oxford: Clarendon Press. 1984: 346. ISBN 0198519613.
- ^ Charles W. Carey. Lee, Tsung-Dao. American scientists. Facts on File Inc. 2006: 225 [2011-07-30]. （原始内容存档于2015-01-20）.
- ^ C.N. Yang; T.D. Lee. Question of Parity Conservation in Weak Interactions. Physcial Review. 1956, 104: 254. doi:10.1103/PhysRev.104.254.
- ^ C.S. Wu; E. Ambler; R.W. Haywood; D.D. Hoppes; R.P. Hudson. Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay. Physcial Review. 1957, 105: 1413. doi:10.1103/PhysRev.105.1413.
- ^ The Nobel Prize in Physics 1957. NobelPrize.org. Nobel Media. [2011-02-26]. （原始内容存档于2006-07-09）.
- ^ E.C.G. Sudarshan; R.E. Marshak. Proceedings of the Padua-Venice Conference on Mesons and Recently Discovered Particles, September, 1957. Padua-Venice: Società Italiana di Fisica. 1958.
- ^ R.P. Feynman; M. Gell-Mann. Theory of the Fermi Interaction. Physical Review. 1958, 109: 193. doi:10.1103/PhysRev.109.193.
- ^ The Nobel Prize in Physics 1980. NobelPrize.org. Nobel Media. [2011-02-26]. （原始内容存档于2012-06-22）.
- ^ M. Kobayashi, T. Maskawa. CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction. Progress of Theoretical Physics. 1973, 49 (2): 652–657. Bibcode:1973PThPh..49..652K. doi:10.1143/PTP.49.652.
- ^ The Nobel Prize in Physics 1980. NobelPrize.org. Nobel Media. [2011-03-17]. （原始内容存档于2018-07-25）.
- ^ Paul Langacker. Cp Violation and Cosmology. Cecilia Jarlskog (编). CP violation. London, River Edge]: World Scientific Publishing Co. 1989, 2001: 552 [2011-07-30]. （原始内容存档于2014-12-01）.
- ^ 25.0 25.1 K. Nakamura et al. (Particle Data Group). Gauge and Higgs Bosons (PDF). Journal of Physics G. 2010, 37 [2011-07-31]. （原始内容存档 (PDF)于2017-02-15）.
- ^ K. Nakamura et al. (Particle Data Group). n (PDF). Journal of Physics G. 2010, 37: 7 [2011-07-31]. （原始内容存档 (PDF)于2018-10-03）.
- ^ S.L. Glashow. Partial-symmetries of weak interactions. Nuclear Physics. 1961, 22: 579. doi:10.1016/0029-5582(61)90469-2.
- ^ A. Salam. Weak and electromagnetic interactions. N. Svartholm (编). Elementary Particle Theory. Proceedings of the 8th Nobel Symposium. Stockholm: Almquist and Wiksell. 1968.
- ^ S. Weinberg. A model of leptons. Physics Review Letters. 1967, 19: 1264. doi:10.1103/PhysRevLett.19.1264.
- ^ The Nobel Prize in Physics 1979. NobelPrize.org. Nobel Media. [2011-02-26]. （原始内容存档于2014-07-06）.
- ^ 31.0 31.1 C. Amsler et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics – Higgs Bosons: Theory and Searches (PDF). Physics Letters B. 2008, 667: 1 [2011-07-31]. Bibcode:2008PhLB..667....1P. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. （原始内容存档 (PDF)于2018-10-03）.
- ^ Missing Higgs. European Organization for Nuclear Research. 2008 [2011-03-01]. （原始内容存档于2013-02-18）.
- ^ Higgs Boson Positively Identified. Science. 2013-03-14 [2017-02-10]. （原始内容存档于2021-03-17）.
- ^ New results indicate that new particle is a Higgs boson. CERN. 2013-03-14 [2017-02-10]. （原始内容存档于2015-10-20）.
大众书籍
- Oerter, R. The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Plume. 2006. ISBN 9780132366786.
- Schumm, B.A. Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics. Johns Hopkins University Press. 2004. ISBN 0-8018-7971-X.
科学书籍
- Bromley, D.A. Gauge Theory of Weak Interactions. Springer. 2000. ISBN 3-540-67672-4.
- Coughlan, G.D.; Dodd, J.E.; Gripaios, B.M. The Ideas of Particle Physics: An Introduction for Scientists 3rd. Cambridge University Press. 2006. ISBN 978-0521677752.
- Cottingham, W.N.; Greenwood, D.A. An introduction to nuclear physics 2. Cambridge University Press. 2001: 30 [2011-07-29]. ISBN 9780521657334. （原始内容存档于2015-02-02）.
- Griffiths, D.J. Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. 1987. ISBN 0-471-60386-4.
- Kane, G.L. Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books. 1987. ISBN 0-201-11749-5.
- Perkins, D.H. Introduction to High Energy Physics. Cambridge University Press. 2000. ISBN 0-521-62196-8.