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弱相互作用本文重定向自 弱作用力

弱相互作用(又称弱力弱核力)是自然的四种基本力中的一种,其余三种为强核力电磁力万有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费米子,即所有自旋为半奇数的粒子。

粒子物理学标准模型中,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强核力弱好几个数量级。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CP对称。夸克的味变使得夸克能够在六种“”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

图为标准模型中六种夸克的电荷与质量分布,以及各种衰变路线,线的虚实代表该衰变发生的可能。

弱相互作用有如下的数项特点:

  1. 唯一能够改变夸克的相互作用。
  2. 唯一能令宇称不守恒的相互作用。因此它也是唯一违反CP对称的相互作用。
  3. 由具质量的规范玻色子所介导的相互作用。这一不寻常的特点可由标准模型希格斯机制得出。

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[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]

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(种类)的情况下衰变成质子,它两个“下夸克”中的一个需要变成“上夸克”。由于强相互作用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“下夸克”,会发射出一个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

标准模型中的左手费米子[12]
第一代 第二代 第三代
费米子 符号
同位旋
费米子 符号
同位旋
费米子 符号
同位旋
电子 μ子 τ子
电中微子 μ中微子 τ中微子
上夸克 粲夸克 顶夸克
下夸克 奇夸克 底夸克
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+12或-12,例如上夸克的弱同位旋为+12,而下夸克的弱同位旋则为-12。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 = +12的上型夸克(上、粲(魅)及顶),在弱衰变后必须变为T3 = −12的下型夸克(下、奇及底),反之亦然。

通过弱相互作用衰变的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
(+12)及一μ+
(+12,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

左手及右手粒子:p为粒子的动量,而S则为其自旋。注意两个态中并没有反射对称。

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·马沙克乔治·苏达尚英语E. C. George Sudarshan[19],及稍后理查德·费曼默里·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·克罗宁瓦尔·菲奇K介子衰变,为弱相用作用下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条件之一[24]

相互作用类型

弱相互作用共有两种。第一种叫“载荷流相互作用”,因为负责传递它的粒子带电荷(W+
W
),β衰变就是由它所引起的。第二种叫“中性流相互作用”,因为负责传递它的粒子,Z玻色子,是中性的(不带电荷)。

载荷流相互作用

上图为一β衰变的费曼图,一中子衰变成质子电子电中微子各一,衰变的中间产物为一粒重的W
玻色子。

在其中一种载荷流相互作用中,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−13)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+23)。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),中子内的一下夸克,发射出一W
玻色子,并因此转化成一上夸克,中子亦因此转化成质子。由于过程中的能量(即下夸克与上夸克间的质量差),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:

中性流相互作用

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]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

  1. ^ 弱相互作用有什么用?
  2. ^ The Nobel Prize in Physics 1979: Press Release. NobelPrize.org. Nobel Media. [2011-03-22].
  3. ^ W.-M. Yao et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics: Quarks (PDF). Journal of Physics G. 2006, 33: 1. Bibcode:2006JPhG...33....1Y. arXiv:astro-ph/0601168. doi:10.1088/0954-3899/33/1/001.
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  7. ^ Electroweak. The Particle Adventure. Particle Data Group. [2011-03-03].
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大众书籍

科学书籍

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  • 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.



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