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，其馀三种为强相互作用、电磁力和引力。次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衰变发生的机率比强交互作用低很多^[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。大部份粒子在一段时间后，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，现在叫电弱相互作用。

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

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. 唯一能够改变夸克味的相互作用。
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的希格斯机制得出。

由于弱相互作用载体粒子（W及Z玻色子）质量很大（约 90 GeV/c^2[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“下夸克”中的一个需要变成“上夸克”。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“下夸克”，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

主条目：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	弱 同位旋	费米子	符号	弱 同位旋	费米子	符号	弱 同位旋
电子	${\displaystyle e^{-}\,}$	${\displaystyle -1/2\,}$	μ子	${\displaystyle \mu ^{-}\,}$	${\displaystyle -1/2\,}$	τ子	${\displaystyle \tau ^{-}\,}$	${\displaystyle -1/2\,}$
电中微子	${\displaystyle \nu _{e}\,}$	${\displaystyle +1/2\,}$	μ中微子	${\displaystyle \nu _{\mu }\,}$	${\displaystyle +1/2\,}$	τ中微子	${\displaystyle \nu _{\tau }\,}$	${\displaystyle +1/2\,}$
上夸克	${\displaystyle u\,}$	${\displaystyle +1/2\,}$	魅夸克	${\displaystyle c\,}$	${\displaystyle +1/2\,}$	顶夸克	${\displaystyle t\,}$	${\displaystyle +1/2\,}$
下夸克	${\displaystyle d\,}$	${\displaystyle -1/2\,}$	奇夸克	${\displaystyle s\,}$	${\displaystyle -1/2\,}$	底夸克	${\displaystyle b\,}$	${\displaystyle -1/2\,}$
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，例如上夸克的弱同位旋为+1⁄2，而下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。

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（+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：

${\displaystyle \qquad Y_{W}=2(Q-T_{3})}$，

其中Y_W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)部份生成元的规范群^[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，古典重力、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（英语：E. C. George Sudarshan）^[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（向量V减轴向量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由两部份组成，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

上图为一β⁻衰变的费曼图，一中子衰变成质子、电子及电中微子各一，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：

${\displaystyle \mu ^{-}+W^{+}\to \nu _{\mu }}$

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：

${\displaystyle d\to u+W^{-}}$

${\displaystyle d+W^{+}\to u}$

${\displaystyle c\to s+W^{+}}$

${\displaystyle c+W^{-}\to s}$

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：

${\displaystyle W^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}~}$

${\displaystyle W^{+}\to e^{+}+\nu _{e}~}$

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，发射出一虚
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：

${\displaystyle d\to u+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}~}$

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：

${\displaystyle e^{-}\to e^{-}+Z^{0}}$

跟W玻色子一样，Z玻色子也会迅速衰变^[25]，例如：

${\displaystyle Z^{0}\to b+{\bar {b}}}$

电弱理论

主条目：电弱相互作用

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，叫电弱相互作用，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，还有一个复向量希格斯场双重态。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

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