基本介紹
- 中文名：弱作用
- 名稱：弱相互作用
- 方式：既有引力也有斥力
- 形式：中子衰變
簡介,性質,相互作用類型,載荷流相互作用,中性流相互作用,電弱理論,
簡介
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，其餘三種為強核力、電磁力及萬有引力。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。
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相互作用低很多，表示它的一般強度比電磁及強核力弱好幾個數量級。大部分粒子在一段時間後，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了，它們是同一種力的兩個方面，現在叫弱電相互作用。
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；也造就了β伏這一套用領域（把β射線的電子當電流用）。
性質
弱相互作用有如下的數項特點：
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。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。
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，及稍後理察·費曼與默里·蓋爾曼，提出了弱相互作用的V−A（矢量V減軸矢量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由兩部分組成，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。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，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。跟宇稱不守恆不一樣，CP破壞的發生機率並不高，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條件之一。
相互作用類型
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+或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
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+
同樣地，一下型夸克（電荷為−⁄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+⁄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，它有著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：
玻色子，然後轉化成一下型夸克：
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玻色子可以衰變成其他產物，可能性不一。
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。在夸克的層次，過程可由下式所述：
中性流相互作用
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：
跟W玻色子一樣，Z玻色子也會迅速衰變，例如：
