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弱相互作用

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粒子物理學標準模型
Feynmann Diagram Gluon Radiation.svg
標準模型

弱相互作用(又稱弱力弱核力)是自然的四種基本力中的一種,其餘三種為強核力电磁力万有引力次原子粒子的放射性衰變就是由它引起的,恆星中一種叫氫聚變的過程也是由它啟動的。弱相互作用會影響所有費米子,即所有自旋為半奇數的粒子。

粒子物理學標準模型中,弱相互作用的理論指出,它是由W及Z玻色子的交換(即發射及吸收)所引起的,由於弱力是由玻色子的發射(或吸收)所造成的,所以它是一種非接觸力。這種發射中最有名的是β衰變,它是放射性的一種表現。重的粒子性質不穩定,由於Z及W玻色子比質子或中子重得多,所以弱相互作用的作用距離非常短。這種相互作用叫做“弱”,是因為它的一般強度,比電磁強核力弱好幾個數量級。大部份粒子在一段時間後,都會通過弱相互作用衰變。弱相互作用有一種獨一無二的特性——那就是夸克味變——其他相互作用做不到這一點。另外,它還會破壞宇稱對稱CP對稱。夸克的味變使得夸克能夠在六種“”之間互換。

弱力最早的描述是在1930年代,是四費米子接觸相互作用的費米理論:接觸指的是沒有作用距離(即完全靠物理接觸)。但是現在最好是用有作用距離的場來描述它,儘管那個距離很短。在1968年,電磁與弱相互作用統一了,它們是同一種力的兩個方面,現在叫電弱力

弱相互作用在粒子的β衰變中最為明顯,在由氫生產重氫的過程中(恆星熱核反應的能量來源)也很明顯。放射性碳定年法用的就是這樣的衰變,此時碳-14通過弱相互作用衰變成氮-14。它也可以造出輻射冷光,常見於超重氫照明;也造就了β伏這一應用領域(把β射線的電子當電流用)[1]

性質[编辑]

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數項特點:

  1. 唯一能夠改變夸克的相互作用。
  2. 唯一能令宇稱不守恆的相互作用。因此它也是唯一違反CP對稱的相互作用。
  3. 由具質量的規範玻色子所介導的相互作用。這一不尋常的特點可由標準模型希格斯機制得出。

由於弱相互作用載體粒子(W及Z玻色子)質量很大(約 90 GeV/c2[2]),所以他們的壽命很短:平均壽命約為 3 × 10-25[3]。弱相互作用的耦合常數(相互作用強度的一個指標)介乎10−7與10−6之間,而相比下,強相互作用的耦合常數約為1[4],故就強度而言,弱相互作用是弱的[5]。弱相用作用的作用距離很短(約為10−17–10−16 m[5][4]。在大約10−18米的距離下,弱相互作用的強度與電磁大約一致;但在大約3×10−17的距離下,弱相互作用比電磁弱一萬倍[6]

標準模型中,弱相互作用會影響所有費米子,還有希格斯玻色子;弱相互作用是除引力相互作用外唯一一種對中微子有效的相互作用[5]。弱相互作用並不產生束縛態(它也不需要束縛能)——重力在天文距離下這樣做,電磁力在原子距離下這樣做,而強核力則在原子核中這樣做[7]

它最明顯的過程是由第一項特點所造成的:味變。比方說,一個中子比一個質子(中子的核子拍檔)重,但它不能在沒有變(種類)的情況下衰變成質子,它兩個“下夸克”中的一個需要變成“上夸克”。由於強相互作用電磁相互作用都不允許味變,所以它一定要用弱相互作用;沒有弱相互作用的話:夸克的特性,如奇異及魅(與同名的夸克相關),會在所有相互作用下守恆。因為弱衰變的關係,所以所有介子都不穩定[8]。在β衰變這個過程下,中子裏面的“下夸克”,會發射出一個W
玻色子,它隨即衰變成一電子及一反電中微子[9]

由於玻色子的大質量,所以弱衰變相對於強或電磁衰變,可能性是比較低的,因此發生得比較慢。例如,一個中性π介子在通過電磁衰變時,壽命約為10-16秒;而一個帶電π介子的通過弱核力衰變時,壽命約為10-8秒,是前者的一億倍[10]。相比下,一個自由中子(通過弱相互作用衰變)的壽命約為15分鐘[9]

弱同位旋與弱超荷[编辑]

標準模型中的左手費米子[11]
第一代 第二代 第三代
費米子 符號
同位旋
費米子 符號
同位旋
費米子 符號
同位旋
電子 e^-\, -1/2\, μ子 \mu^-\, -1/2\, τ子 \tau^-\, -1/2\,
電中微子 \nu_e\, +1/2\, μ中微子 \nu_\mu\, +1/2\, τ中微子 \nu_\tau\, +1/2\,
上夸克 u\, +1/2\, 魅夸克 c\, +1/2\, 頂夸克 t\, +1/2\,
下夸克 d\, -1/2\, 奇夸克 s\, -1/2\, 底夸克 b\, -1/2\,
所有左手反粒子的弱同位旋均為零。右手反粒子的弱同位旋與左手粒子相反。

弱同位旋(T3)是所有粒子都擁有的一種性質(量子數),決定了粒子在弱相互作用下該如何反應[12]。對於弱相互作用來說,弱同位旋的作用跟電磁相互作用中的電荷,或者是強相互作用中的色荷一樣。所有費米子的弱同位旋均為+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,在弱衰變的前後,夸克的T3永遠是不一樣的。也就是说,T3 = +12的上型夸克(上、魅及頂),在弱衰变後必須變為T3 = −12的下型夸克(下、奇及底),反之亦然。

通過弱相互作用衰變的π+
介子

弱同位旋是守恆的:反應產物的弱同位旋總和,等於反應物的弱同位旋總和。例如,一左手π+
介子
,弱同位旋為+1,一般衰變成一ν
μ
(+12)及一μ+
(+12,因為是右手反粒子)[10]

在電弱理論中,粒子有一種新的性質,稱為弱超荷。它的數值由粒子的電荷及弱同位旋決定:

\qquad Y_W = 2(Q - T_3)

其中YW為粒子的弱超荷,Q電荷(以基本電荷为單位)及T3為弱同位旋。弱超荷是U(1)部份生成元的規範群[13]

對稱破缺[编辑]

左手及右手粒子:p為粒子的動量,而S則為其自旋。注意兩個態中並沒有反射對稱。

長久以來,人們以為自然定律在鏡像反射後會維持不變,鏡像反射等同把所有空間軸反轉。也就是說在鏡中看實驗,跟把實驗設備轉成鏡像方向後看實驗,兩者的實驗結果會是一樣的。這條所謂的定律叫宇稱守恆,古典重力電磁強相互作用都遵守這條定律;它被假定為一條萬物通用的定律[14]。然而,在1950年代中期,楊振寧李政道提出弱相互作用可能會破壞這一條定律[15]吳健雄與同事於1957年發現了弱相互作用的宇稱不守恆[16],為楊振寧與李政道帶來了1957年的諾貝爾物理學獎[17]

儘管以前用費米理論就能描述弱相互作用,但是在發現宇稱不守恆及重整化理論後,弱相互作用需要一種新的描述手法。在1957年羅伯特·馬沙克(Robert Marshak)與喬治·蘇達尚(George Sudarshan)[18],及稍後理查德·費曼默里·蓋爾曼[19],提出了弱相互作用的V−A向量V減軸向量A或左手性)拉格朗日量。在這套理論中,弱相互作用只作用於左手粒子(或右手反粒子)。由於左手粒子的鏡像反射是右手粒子,所以這解釋了宇稱的最大破壞。有趣的是,由於V−A開發時還未有發現Z玻色子,所以理論並沒有包括進入中性流相互作用的右手場。

然而,該理論允許複合對稱CP守恆。CP由兩部份組成,宇稱P(左右互換)及電荷共軛C(把粒子換成反粒子)。1964年的一個發現完全出乎物理學家的意料,詹姆斯·克羅寧瓦爾·菲奇K介子衰變,為弱相用作用下CP對稱破缺提供了明確的證據,二人因此獲得1980年的諾貝爾物理學獎[20]小林誠益川敏英於1972年指出,弱相互作用的CP破壞,需要兩代以上的粒子[21],因此這項發現實際上預測了第三代粒子的存在,而這個預測在2008年為他們帶來了半個諾貝爾物理學獎[22]。跟宇稱不守恆不一樣,CP破壞的發生概率並不高,但是它仍是解答宇宙間物質反物質失衡的一大關鍵;它因此成了安德烈·薩哈羅夫重子產生過程三條件之一[23]

相互作用類型[编辑]

弱相互作用共有兩種。第一種叫“載荷流相互作用”,因為負責傳遞它的粒子帶電荷(W+
W
),β衰變就是由它所引起的。第二種叫“中性流相互作用”,因為負責傳遞它的粒子,Z玻色子,是中性的(不帶電荷)。

載荷流相互作用[编辑]

上圖為一β衰變的費曼圖,一中子衰變成質子電子電中微子各一,衰變的中間產物為一粒重的W
玻色子。

在其中一種載荷流相互作用中,一帶電荷的輕子(例如電子或μ子,電荷為−1)可以吸收一W+
玻色子
(電荷為+1),然後轉化成對應的中微子(電荷為0),而中微子(電子、μ及τ)的類型(代)跟相互作用前的輕子一致,例如:

\mu^-+ W^+\to \nu_\mu

同樣地,一下型夸克(電荷為−13)可以通過發射一W
玻色子,或吸收一W+
玻色子,來轉化成一上型夸克(電荷為+23)。更準確地,下型夸克變成了上型夸克的量子疊加態:也就是說,它有着轉化成三種上型夸克中任何一種的可能性,可能性的大小由CKM矩陣所描述。相反地,一上型夸克可以發射一W+
玻色子,或吸收一W
玻色子,然後轉化成一下型夸克:

d \to u+ W^-
d+ W^+\to u
c\to s + W^+
c+ W^-\to s

由於W玻色子很不穩定,所以它壽命很短,很快就發生衰變。例如:

W^-\to e^- + \bar\nu_e~
W^+\to e^+ + \nu_e~

W玻色子可以衰變成其他產物,可能性不一[24]

在中子所謂的β衰變中(見上圖),中子內的一下夸克,發射出一W
玻色子,並因此轉化成一上夸克,中子亦因此轉化成質子。由於過程中的能量(即下夸克與上夸克間的質量差),W
只能轉化成一電子及一反電中微子[25]。在夸克的層次,過程可由下式所述:

d\to u+ e^- + \bar\nu_e~

中性流相互作用[编辑]

在中性流相互作用中,一夸克或一輕子(例如一電子或μ子)發射或吸收一中性Z玻色子。例如:

e^-\to e^- + Z^0

跟W玻色子一樣,Z玻色子也會迅速衰變[24],例如:

Z^0\to b+\bar b

電弱理論[编辑]

在粒子物理學的標準模型描述中,弱相互作用與電磁相互作用是同一種相互作用的不同方面,叫電弱相互作用,這套理論在1968年發表,開發者為謝爾登·格拉肖[26]阿卜杜勒·薩拉姆[27]史蒂文·溫伯格[28]。他們的研究在1979年獲得了諾貝爾物理學獎的肯定[29]希格斯機制解釋了三種大質量玻色子(弱相互作用的三種載體)的存在,還有電磁相互作用的無質量光子[30]

根據電弱理論,在能量非常高的時候,宇宙共有四種無質量的規範玻色子場,它們跟光子類似,還有一個複向量希格斯場雙重態。然而在能量低的時候,規範對稱會出現自發破缺,變成電磁相互作用的U(1)對稱(其中一個希格斯場有了真空期望值)。雖然這種對稱破缺會產生三種無質量玻色子,但是它們會與三股光子類場融合,這樣希格斯機制會為它們帶來質量。這三股場就成為了弱相互作用的W+
W
及Z玻色子,而第四股規範場則繼續保持無質量,也就是電磁相互作用的光子[30]

雖然這套理論作出好幾個預測,包括在Z及W玻色子發現前預測到它們的質量,但是希格斯玻色子本身仍未被發現。歐洲核子研究組織轄下的大型強子對撞機,它其中一項主要任務,就是要生產出希格斯玻色子[31]。 2013年3月14日,歐洲核子研究組織發佈新聞稿,正式宣布探測到新的粒子即希格斯玻色子。

參考資料[编辑]

大眾書籍[编辑]

  • 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. 

科學書籍[编辑]

註釋[编辑]

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  3. ^ Peter Watkins. Story of the W and Z. Cambridge: Cambridge University Press. 1986: 70. ISBN 9780521318754. 
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  8. ^ Cottingham & Greenwood 2001,第29页
  9. ^ 9.0 9.1 Cottingham & Greenwood 2001,第28页
  10. ^ 10.0 10.1 Cottingham & Greenwood 2001,第30页
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