弱相互作用

弱相互作用（又稱弱力或弱核力）是自然的四種基本力中的一種，其餘三種為強相互作用、電磁力和引力。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的費米子，即所有自旋為半奇數的粒子。

在粒子物理學的標準模型中，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β衰變發生的機率比強交互作用低很多^[1]，表示它的一般強度比電磁及強相互作用弱好幾個數量級。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及CP對稱。夸克的味變使得夸克能夠在六種「味」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，它們是同一種力的兩個表徵，現在叫電弱相互作用。

弱相互作用在粒子的β衰變中最為明顯，在由氫生產重氫和氦的過程中（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β放射這個應用領域（把β射線的電子當電流用）^[2]。

性質

圖為標準模型中六種夸克的電荷與質量分佈，以及各種衰變路線，線的虛實代表該衰變發生的可能。

弱相互作用有如下的數項特點：

1. 唯一能夠改變夸克味的相互作用。
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的希格斯機制得出。

由於弱相互作用載體粒子（W及Z玻色子）質量很大（約 90 GeV/c^2[3]），所以他們的壽命很短：平均壽命約為 3 × 10^-25秒^[4]。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^[5]，故就強度而言，弱相互作用是弱的^[6]。弱相互作用的作用距離很短（約為10⁻¹⁷–10⁻¹⁶ m^[6]）^[5]。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^[7]。

在標準模型中，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^[6]。弱相互作用並不產生束縛態（它也不需要束縛能），而重力、電磁力和強核力則分別會在天文、原子、原子核的尺度下產生束縛態^[8]。

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，但它不能在沒有變味（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」。由於強相互作用和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^[9]。在β衰變這個過程下，中子裏面的「下夸克」，會發射出一個虛
W−
玻色子，它隨即衰變成一電子及一反電中微子^[10]。

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^[11]。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^[10]。

弱同位旋與弱超荷

主條目：弱超荷

標準模型中的左手費米子^[12]

第一代			第二代			第三代
費米子	符號	弱 同位旋	費米子	符號	弱 同位旋	費米子	符號	弱 同位旋
電子	${\displaystyle e^{-}\,}$	${\displaystyle -1/2\,}$	μ子	${\displaystyle \mu ^{-}\,}$	${\displaystyle -1/2\,}$	τ子	${\displaystyle \tau ^{-}\,}$	${\displaystyle -1/2\,}$
電中微子	${\displaystyle \nu _{e}\,}$	${\displaystyle +1/2\,}$	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	${\displaystyle c\,}$	${\displaystyle +1/2\,}$	頂夸克	${\displaystyle t\,}$	${\displaystyle +1/2\,}$
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^[13]。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+1⁄2或-1⁄2，例如上夸克的弱同位旋為+1⁄2，而下夸克的弱同位旋則為-1⁄2。另一方面，在弱衰變的前後，夸克的T₃永遠是不一樣的。也就是說，T₃ = +1⁄2的上型夸克（上、粲(魅)及頂），在弱衰變後必須變為T₃ = −1⁄2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（+1⁄2）及一
μ+
（+1⁄2，因為是右手反粒子）^[11]。

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：

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

其中Y_W為粒子的弱超荷，Q為電荷（以基本電荷為單位）及T₃為弱同位旋。弱超荷是U(1)部份生成元的規範群^[14]。

對稱破缺

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、電磁及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^[15]。然而，在1950年代中期，楊振寧與李政道提出弱相互作用可能會破壞這一條定律^[16]。吳健雄與同事於1957年發現了弱相互作用的宇稱不守恆^[17]，為楊振寧與李政道帶來了1957年的諾貝爾物理學獎^[18]。

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·馬沙克與喬治·蘇達尚（英語：E. C. George Sudarshan）^[19]，及稍後理查德·費曼與默里·蓋爾曼^[20]，提出弱相互作用的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·克羅寧與瓦爾·菲奇以K介子衰變，為弱相互作用下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^[21]。小林誠與益川敏英於1972年指出，弱相互作用的CP破壞，需要兩代以上的粒子^[22]，因此這項發現實際上預測第三代粒子的存在，而這個預測在2008年為他們帶來半個諾貝爾物理學獎^[23]。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·薩哈羅夫的重子產生過程三大條件之一^[24]。

相互作用類型

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

帶電流

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

在其中一種帶電流中，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：

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

同樣地，一下型夸克（電荷為−1⁄3）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+2⁄3）。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：

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

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

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

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

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：

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

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

W玻色子可以衰變成其他產物，可能性不一^[25]。

在中子所謂的β衰變中（見上圖），中子內的一下夸克，發射出一虛
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^[26]。在夸克的層次，過程可由下式所述：

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

中性流

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

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

跟W玻色子一樣，Z玻色子也會迅速衰變^[25]，例如：

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

電弱理論

主條目：電弱相互作用

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^[27]、阿卜杜勒·薩拉姆^[28]與史蒂文·溫伯格^[29]。他們的研究在1979年獲得了諾貝爾物理學獎的肯定^[30]。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^[31]。

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^[31]。

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^[32]。 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。^[33][34]

參考資料

註釋

1. 弱交互作用有什麼用？. [2018-03-11]. （原始內容存檔於2022-05-08）.
2. The Nobel Prize in Physics 1979: Press Release. NobelPrize.org. Nobel Media. [2011-03-22]. （原始內容存檔於2017-12-04）.
3. 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. （原始內容存檔 (PDF)於2017-01-25）.
4. Peter Watkins. Story of the W and Z. Cambridge: Cambridge University Press. 1986: 70 [2011-07-29]. ISBN 9780521318754. （原始內容存檔於2012-11-14）.
5. Coupling Constants for the Fundamental Forces. HyperPhysics. Georgia State University. [2011-03-02]. （原始內容存檔於2010-07-14）.
6. J. Christman. The Weak Interaction (PDF). Physnet. Michigan State University. 2001. （原始內容 (PDF)存檔於2011-07-20）.
7. Electroweak. The Particle Adventure. Particle Data Group. [2011-03-03]. （原始內容存檔於2020-05-29）.
8. Walter Greiner; Berndt Müller. Gauge Theory of Weak Interactions. Springer. 2009: 2 [2011-07-29]. ISBN 9783540878421. （原始內容存檔於2014-11-29）.
9. Cottingham & Greenwood 2001，第29頁
10. Cottingham & Greenwood 2001，第28頁
11. Cottingham & Greenwood 2001，第30頁
12. John C. Baez and John Huerta, The Algebra of Grand Unified Theories, Department of Mathematics, University of California, 2009 [2011-03-07], （原始內容存檔於2018-08-14）
13. Griffiths 1987，第344頁
14. T-P Chang; L-F Li. Gauge Theory of Elementary Particle Physics. Oxford: Clarendon Press. 1984: 346. ISBN 0198519613.
15. Charles W. Carey. Lee, Tsung-Dao. American scientists. Facts on File Inc. 2006: 225 [2011-07-30]. （原始內容存檔於2015-01-20）.
16. C.N. Yang; T.D. Lee. Question of Parity Conservation in Weak Interactions. Physcial Review. 1956, 104: 254. doi:10.1103/PhysRev.104.254.
17. 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.
18. The Nobel Prize in Physics 1957. NobelPrize.org. Nobel Media. [2011-02-26]. （原始內容存檔於2006-07-09）.
19. 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.
20. R.P. Feynman; M. Gell-Mann. Theory of the Fermi Interaction. Physical Review. 1958, 109: 193. doi:10.1103/PhysRev.109.193.
21. The Nobel Prize in Physics 1980. NobelPrize.org. Nobel Media. [2011-02-26]. （原始內容存檔於2012-06-22）.
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.
23. The Nobel Prize in Physics 1980. NobelPrize.org. Nobel Media. [2011-03-17]. （原始內容存檔於2018-07-25）.
24. Paul Langacker. Cp Violation and Cosmology. Cecilia Jarlskog (編). CP violation. London, River Edge]: World Scientific Publishing Co. 1989, 2001: 552 [2011-07-30]. （原始內容存檔於2014-12-01）. 請檢查|date=中的日期值 (幫助)
25. K. Nakamura et al. (Particle Data Group). Gauge and Higgs Bosons (PDF). Journal of Physics G. 2010, 37 [2011-07-31]. （原始內容存檔 (PDF)於2017-02-15）.
26. K. Nakamura et al. (Particle Data Group). n (PDF). Journal of Physics G. 2010, 37: 7 [2011-07-31]. （原始內容存檔 (PDF)於2018-10-03）.
27. S.L. Glashow. Partial-symmetries of weak interactions. Nuclear Physics. 1961, 22: 579. doi:10.1016/0029-5582(61)90469-2.
28. A. Salam. Weak and electromagnetic interactions. N. Svartholm (編). Elementary Particle Theory. Proceedings of the 8th Nobel Symposium. Stockholm: Almquist and Wiksell. 1968.
29. S. Weinberg. A model of leptons. Physics Review Letters. 1967, 19: 1264. doi:10.1103/PhysRevLett.19.1264.
30. The Nobel Prize in Physics 1979. NobelPrize.org. Nobel Media. [2011-02-26]. （原始內容存檔於2014-07-06）.
31. 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. （原始內容存檔 (PDF)於2018-10-03）.
32. Missing Higgs. European Organization for Nuclear Research. 2008 [2011-03-01]. （原始內容存檔於2013-02-18）.
33. Higgs Boson Positively Identified. Science. 2013-03-14 [2017-02-10]. （原始內容存檔於2021-03-17）.
34. New results indicate that new particle is a Higgs boson. CERN. 2013-03-14 [2017-02-10]. （原始內容存檔於2015-10-20）.

大眾書籍

• 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.

科學書籍

• 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. （原始內容存檔於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.