弱相互作用

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1、弱互相作用粒子物理学原则模型弱互相作用（又称弱力或弱核力）是自然的四种基本力中的一种，其他三种为强核力、电磁力及万有引力。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。弱互相作用会影响所有费米子,即所有自旋为半奇数的粒子。在粒子物理学的原则模型中,弱互相作用的理论指出,它是由W及玻色子的互换（即发射及吸取)所引起的，由于弱力是由玻色子的发射(或吸取）所导致的，因此它是一种非接触力。这种发射中最有名的是衰变,它是放射性的一种体现。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,因此弱互相作用的作用距离非常短。这种互相作用叫做“弱”,是由于它的一般强度，比电

2、磁及强核力弱好几种数量级。大部份粒子在一段时间后,都会通过弱互相作用衰变。弱互相作用有一种独一无二的特性那就是夸克味变其她互相作用做不到这一点。此外，它还会破坏宇称对称及CP对称。夸克的味变使得夸克可以在六种“味”之间互换。弱力最早的描述是在30年代,是四费米子接触互相作用的费米理论：接触指的是没有作用距离(即完全靠物理接触)。但是目前最佳是用有作用距离的场来描述它,尽管那个距离很短。在196年，电磁与弱互相作用统一了,它们是同一种力的两个方面，目前叫电弱力。弱互相作用在粒子的衰变中最为明显,在由氢生产重氢和氦的过程中（恒星热核反映的能量来源）也很明显。放射性碳定年法用的就是这样的衰变,此时碳

3、-14通过弱互相作用衰变成氮-14。它也可以造出辐射冷光，常用于超重氢照明；也造就了伏这一应用领域（把射线的电子当电流用）。性质图为原则模型中六种夸克的电荷与质量分布,以及多种衰变路线，线的虚实代表该衰变发生的也许。弱互相作用有如下的数项特点:1. 唯一可以变化夸克味的互相作用。2. 唯一能令宇称不守恒的互相作用。因此它也是唯一违背对称的互相作用。3. 由具质量的规范玻色子所介导的互相作用。这一不寻常的特点可由原则模型的希格斯机制得出。由于弱互相作用载体粒子(W及Z玻色子)质量很大(约 90e/2）,因此她们的寿命很短：平均寿命约为 3 10-2秒。弱互相作用的耦合常数（互相作用强度的一种指标

4、）介乎10与16之间，而相比下,强互相作用的耦合常数约为，故就强度而言，弱互相作用是弱的。弱相用作用的作用距离很短(约为1011016m)。在大概08米的距离下,弱互相作用的强度与电磁大概一致;但在大概301的距离下,弱互相作用比电磁弱一万倍。在原则模型中，弱互相作用会影响所有费米子，尚有希格斯玻色子；弱互相作用是除引力互相作用外唯一一种对中微子有效的互相作用。弱互相作用并不产生束缚态(它也不需要束缚能）引力在天文距离下这样做，电磁力在原子距离下这样做,而强核力则在原子核中这样做。它最明显的过程是由第一项特点所导致的：味变。比方说，一种中子比一种质子（中子的核子拍档）重，但它不能在没有变味（种

5、类)的状况下衰变成质子,它两个“下夸克”中的一种需要变成“上夸克”。由于强互相作用和电磁互相作用都不容许味变，因此它一定要用弱互相作用；没有弱互相作用的话：夸克的特性,如奇异及魅（与同名的夸克有关),会在所有互相作用下守恒。由于弱衰变的关系,因此所有介子都不稳定。在衰变这个过程下，中子里面的“下夸克”，会发射出一种虚W玻色子,它随后衰变成一电子及一反电中微子。由于玻色子的大质量，因此弱衰变相对于强或电磁衰变，也许性是比较低的，因此发生得比较慢。例如，一种中性介子在通过电磁衰变时,寿命约为10-16秒;而一种带电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。相比下，一种自由中子（通

6、过弱互相作用衰变)的寿命约为15分钟。弱同位旋与弱超荷主条目:弱超荷原则模型中的左手费米子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子子电中微子中微子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），决定了粒子在弱互相作用下该如何反映。对于弱互相作用来说,弱同位旋的作用跟电磁互相作用中的电荷,或者是强互相作用中的色荷同样。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+，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

7、永远是不同样的。也就是说,T= +12的上型夸克(上、魅及顶),在弱衰变后必须变为T3 的下型夸克（下、奇及底）,反之亦然。通过弱互相作用衰变的+介子弱同位旋是守恒的:反映产物的弱同位旋总和，等于反映物的弱同位旋总和。例如,一左手介子,弱同位旋为+1，一般衰变成一（+12)及一+（+2，由于是右手反粒子)。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。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。长期以来,人们觉得

8、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，两者的实验成果会是同样的。这条所谓的定律叫宇称守恒,典型引力、电磁及强互相作用都遵守这条定律；它被假定为一条万物通用的定律。然而,在150年代中期，杨振宁与李政道提出弱互相作用也许会破坏这一条定律。吴健雄与同事于1957年发现了弱互相作用的宇称不守恒,为杨振宁与李政道带来了1957年的诺贝尔物理学奖。尽管此前用费米理论就能描述弱互相作用,但是在发现宇称不守恒及重整化理论后,弱互相作用需要一种新的描述手法。在1957年罗伯特马沙克(obrt Marshak）与乔治苏达尚(eorg

9、e Sashn),及稍后理查德费曼与默里盖尔曼19,提出了弱互相作用的VA（矢量V减轴矢量A或左手性)拉格朗日量。在这套理论中，弱互相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，因此这解释了宇称的最大破坏。有趣的是，由于VA开发时尚未有发现Z玻色子，因此理论并没有涉及进入中性流互相作用的右手场。然而,该理论容许复合对称CP守恒。CP由两部份构成，宇称（左右互换）及电荷共轭C(把粒子换成反粒子)。164年的一种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，为弱相用作用下P对称破缺提供了明确的证据,二人因此获得180年的诺贝尔物理学奖。小林诚与益川敏英

10、于2年指出，弱互相作用的CP破坏,需要两代以上的粒子,因此这项发现事实上预测了第三代粒子的存在，而这个预测在为她们带来了半个诺贝尔物理学奖。跟宇称不守恒不同样，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核心；它因此成了安德烈萨哈罗夫的重子产生过程三条件之一。互相作用类型弱互相作用共有两种。第一种叫“载荷流互相作用”,由于负责传递它的粒子带电荷（W+或W)，衰变就是由它所引起的。第二种叫“中性流互相作用”,由于负责传递它的粒子,Z玻色子，是中性的（不带电荷)。载荷流互相作用上图为一衰变的费曼图，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玻色子。在其中一

11、种载荷流互相作用中,一带电荷的轻子(例如电子或子,电荷为1）可以吸取一+玻色子（电荷为),然后转化成相应的中微子(电荷为0),而中微子(电子、及)的类型（代)跟互相作用前的轻子一致，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，或吸取一W+玻色子，来转化成一上型夸克（电荷为+23)。更精确地，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也许性,也许性的大小由CK矩阵所描述。相反地,一上型夸克可以发射一+玻色子，或吸取一W玻色子,然后转化成一下型夸克:由于W玻色子很不稳定,因此它寿命很短，不久就发生衰变。例如：W玻色子可以衰变成其她产物,也许

12、性不一。在中子所谓的衰变中（见上图),中子内的一下夸克,发射出一虚玻色子，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）,只能转化成一电子及一反电中微子。在夸克的层次，过程可由下式所述:中性流互相作用在中性流互相作用中，一夸克或一轻子(例如一电子或子）发射或吸取一中性Z玻色子。例如：跟W玻色子同样,Z玻色子也会迅速衰变,例如：电弱理论主条目:弱电互相作用在粒子物理学的原则模型描述中，弱互相作用与电磁互相作用是同一种互相作用的不同方面，叫弱电互相作用，这套理论在168年刊登，开发者为谢尔登格拉肖、阿卜杜勒萨拉姆与史蒂文温伯格。她们的研究在179年获得了

13、诺贝尔物理学奖的肯定。希格斯机制解释了三种大质量玻色子(弱互相作用的三种载体)的存在，尚有电磁互相作用的无质量光子。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，尚有一种复矢量希格斯场双重态。然而在能量低的时候，规范对称会浮现自发破缺，变成电磁互相作用的U(1)对称(其中一种希格斯场有了真空盼望值)。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互相作用的W+、及Z玻色子，而第四股规范场则继续保持无质量,也就是电磁互相作用的光子。虽然这套理论作出好几种预测,涉及在Z及W玻色子发现前预测到它们的质量,但是希格斯玻色子自身仍未被发现。欧洲核子研究组织辖下的大型强子对撞机，它其中一项重要任务，就是要生产出希格斯玻色子。 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。