W及Z玻色子

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'W'±Z0玻色子
组成 基本粒子
玻色子
基本相互作用 弱相互作用
理论 1967年 (温伯格萨拉姆)
发现 1983年(UA1和UA2合作组)
质量 W: 80.385±0.015GeV
Z: 91.1876±0.0021GeV
自旋 1

物理學中,W及Z玻色子boson)是負責傳遞弱核力基本粒子。它們是1983年在歐洲核子研究組織發現的,被認為是粒子物理標準模型的一大勝利。

W玻色子是因弱核力的“弱”(Weak)字而命名的。而Z玻色子則半幽默地因是“最後一個要發現的粒子”而名。另一個說法是因Z玻色子有零(Zero)電荷而得名。

基本性質[编辑]

W玻色子有兩種,分別有 +1(W+)和−1(W)單位電荷。W+是W反粒子。而Z玻色子(Z0)則為電中性的,且為自身的反粒子。這三種粒子皆十分短命,其半衰期約為3 \times 10^{-25}秒。

這些玻色子在各種基本粒子之中屬重型的一類。W的質量為80.399 ± 0.023 GeV,而Z則為91.1876 ± 0.0021 GeV。它們差不多是質子質量的一百倍——比原子還要重。玻色子的質量是十分重要的,因其限制了弱核力的相用範圍。相對地,電磁力的相用範圍無限遠因為光子無質量。

弱相互作用[编辑]

費曼圖β -衰變的一個中子變成質子,以及通过一个瞬间的重W玻色子衰变成的电子反電中微子

W和Z玻色子是传递弱相互作用的媒介粒子,就像光子是传递电磁相互作用的媒介粒子一樣。W玻色子在核衰變過程中擔任一個重要的角色。以-60的β衰變為例,

{}^{60}_{27}\hbox{Co}\to{}^{60}_{28}\hbox{Ni}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e

此過程在超新星中子彈爆發時是非常重要的。可是它並不需牽涉到整個鈷核子,而只是它33個中子其中之一。那個中子在衰變期間轉變成一個質子、電子(又叫β粒子)和反電中微子

\hbox{n}\to \hbox{p}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e

但中子和質子都只是夸克的組合(中子是“上下下”,質子是“上上下”)。中子的一粒下夸克在β衰變中受弱相互作用的影响而變成上夸克:

\hbox{d}\to\hbox{u}+\hbox{W}^-

故弱相互作用可改變夸克的“味道”(參閱費米子)。而所發出的W粒子迅速衰變成電子和反電中微子:

\hbox{W}^-\to\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e

因Z玻色子是自己的反粒子,故它的所有量子數皆為零。交換Z玻色子是一個中性流作用(Neutral current interaction),而接收和發出玻色子的粒子除動量外甚麼也沒變。要觀測中性流作用需要在粒子加速器偵察器上作很大的投資,故目前世上只有幾所高能物理實驗室擁有這些儀器。

W和Z玻色子的預測[编辑]

於1950年代量子電動力學的空前成功後,科學家希望為弱核力建立相似的理論。於1968年,這個論調在統一電磁力和弱核力後達到高潮。提出弱電統一的谢尔登·格拉肖史蒂文·温伯格阿卜杜勒·萨拉姆因此得到1979年的諾貝爾物理學獎[1]。他們的弱電理論不止假設了W玻色子的存在來解釋β衰變,還預測有一種未被發現的Z玻色子。

W和Z玻色子有質量,而光子卻沒有——這是弱電理論發展的一大障礙。這些粒子現時以一個SU(2) 规范理論來精確描述,但理論中玻色子必定無質量。譬如,光子無質量是因為電磁力能以一個U(1)规范理論解釋。某些機制必須破壞SU(2)的對稱來給予W和Z玻色子的質量。其中一個解釋是由彼得·希格斯於1960年代晚期提出的希格斯機制。它預言了一種尚未發現的新粒子——希格斯玻色子

SU(2)測量儀理論、電磁力和希格斯機制三者的組合稱為格拉肖-温伯格-萨拉姆模型。它是目前廣泛接受為標準模型的一大支柱。至2003年為止,標準模型唯一未被實驗證實的預言只有希格斯玻色子

W和Z玻色子的發現[编辑]

W和Z粒子的發現是歐洲核子研究組織的主要成就之一。首先,於1973年,實驗觀察到了弱電理論預測的中性流作用;那時加尔加梅勒氣泡室拍攝到有一些電子突然自行移動的軌跡。這些觀測結果被詮釋為中微子藉由交換沒有軌跡的Z玻色子與電子互相作用。由於中微子是偵測不到的,因此實驗中只能看到電子因著交互作用而造成的動量改變。

W和Z粒子要到能量夠高的粒子加速器建立後才正式被發現。第一部這樣的加速器是超級質子同步加速器,其中卡洛·鲁比亚西蒙·范德梅尔在1983年一月進行的一連串實驗給出了明顯的W粒子證據。這些實驗稱作“UA1”(由鲁比亚主導)和“UA2”,且為眾多人合作的努力成果。范德梅尔是加速器方面的驅策者(隨機冷卻)。UA1和UA2在幾個月後(1983年五月)找到Z粒子。很快地鲁比亚和范德梅尔因而得到1984年的諾貝爾物理學獎[2],這可算是保守的諾貝爾獎基金會自成立以來相當不尋常迅速的一次。

参考资料[编辑]

  1. ^ [1]
  2. ^ [2]

外部連結[编辑]