弱核力

弱核力

弱相互作用(又稱弱力弱核力)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。

基本介紹

介紹,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,

介紹

弱相互作用(又稱弱力弱核力)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。
粒子物理學標準模型中,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“”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:
唯一能夠改變夸克的相互作用。
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。
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希格斯機制得出。

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+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。

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:

電弱理論

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,叫弱電相互作用,這套理論在1968年發表,開發者為謝爾登·格拉肖、阿卜杜勒·薩拉姆史蒂文·溫伯格。他們的研究在1979年獲得了諾貝爾物理學獎的肯定。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
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,還有一個復矢量希格斯場雙重態。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。
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。 2013年3月14日,歐洲核子研究組織發布新聞稿,正式宣布探測到新的粒子,即希格斯玻色子

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