費米常數

費米常數，是描寫弱相互作用強度的一個物理常數。在粒子物理的標準模型中，這個常數被更基本的無量綱參數（弱相互作用耦合常數）和弱作用能標所取代。

基本介紹

• 中文名：費米常數
• 外文名：Fermi constant
• 領域：量子力學

簡介

費米常數記為，是描寫弱相互作用強度的一個物理常數。在自然單位制下，它的數值是：

在粒子物理的標準模型中，這個常數被更基本的無量綱參數（弱相互作用耦合常數）和弱作用能標所取代。

粒子物理學

粒子物理學是研究組成物質和射線的基本粒子以及它們之間相互作用的一個物理學分支。由於許多基本粒子在大自然的一般條件下不存在或不單獨出現，物理學家只有使用粒子加速器在高能相撞的條件下才能生產和研究它們，因此粒子物理學也被稱為高能物理學。

亞原子粒子

現代粒子物理學的研究集中在亞原子粒子上。這些粒子的結構比原子要小，其中包括原子的組成部分如電子、質子和中子（質子和中子本身又是由夸克所組成的粒子）和放射和散射所造成的粒子如光子、中微子和μ子，以及許多其它奇特的粒子。

嚴格地說“粒子”這個稱呼不精確，粒子物理學中研究的所有的物體都遵守量子力學的規則，它們都顯示波粒二象性，根據不同的實驗條件它們顯示粒子的特性或波的特性。在物理理論中，它們既非粒子也非波，理論學家用希爾伯特空間中的狀態矢量來描寫它們，詳細的理論基礎為量子場論。但按照粒子物理學的常規在這篇文章中這些物體依然被稱為“粒子”，雖然這些粒子也具有波的特性。

今天所知的所有基本粒子都可以用一個叫做粒子物理標準模型的量子場論來描寫。標準模型是目前粒子物理學中最好的理論，它包含37種基本粒子，這些基本粒子相互結合可以形成更加複雜的粒子。從1960年代以來實驗物理學家已經發現和觀察到了上百種複合粒子了。標準模型理論幾乎與至今為止觀察到的所有的實驗數據相符合。雖然如此大多數粒子物理學家相信它依然是一個不完善的理論，一個更加基本的理論還有待發現。最近發現的中微子靜質量不為零是第一個與標準模型出現偏差的實驗觀測。

標準模型理論

目前基本粒子的最成功的理論是標準模型理論，它使用規範玻色子來描寫強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用。光子、W及Z玻色子和膠子都屬於規範玻色子。此外按標準模型理論物質是由24種基本粒子組成的，最後這個理論還預言了希格斯玻色子。

實驗粒子物理學

大的實驗粒子物理學國際合作有：

歐洲核子研究中心：位於法國和瑞士邊境日內瓦附近，其主要儀器如下：大型正負電子對撞機（2001年停用，現已拆除）；超級質子同步加速器；大型強子對撞機。

德國電子加速器：位於德國漢堡，其主要設備是強子電子環設備（HERA），可用電子和正電子與質子相撞。

SLAC國家加速器實驗室：位於美國帕洛阿圖附近，其主要設備是PEP-II，用來碰撞電子和正電子。

費米國立加速器實驗室：位於美國芝加哥附近，其主要設備是太伏質子加速器（Tevatron），碰撞質子與反質子。

布魯克黑文國家實驗室：位於美國長島，其主要設備是相對論重離子對撞機，用來使重離子如金離子與質子相撞。

布德克核子物理研究所（BINP）：位於俄羅斯新西伯利亞。

超級神岡探測器: 1998年，超級神岡探測器的領導者、日本科學家小柴昌俊發表了測量結果，給出中微子振盪的首個確切證據，認為中微子在三種不同“味”之間是可以相互轉換的，這也表明中微子是有質量的，而不是粒子物理標準模型中預言的零質量粒子。2002年，超級神岡探測器證實反應堆中產生的中微子發生了振盪。這個探測結果在中微子天文學和粒子物理學中具有里程碑式的意義，小柴昌俊因此獲得2002年的諾貝爾物理學獎。

高能加速器研究機構：位於日本筑波，擁有一個測試中微子振盪的K2K和測試正反B介子違反電荷宇稱守恆性的Belle實驗。

大亞灣反應堆中微子實驗工程：位於中國大亞灣核電站北側，主要物理目標是利用核反應堆產生的反中微子來測量中微子混合角，由中科院高能物理研究所主持。

此外世界各地還有許多其它粒子加速器，比如大陸的北京正負電子對撞機與台灣新竹科學工業園區的國家同步輻射研究中心。

展望

世界各地的粒子物理學家對粒子物理學近期和中期最重要的目標的見解是一致的。近期的目標是於2007年完成大型強子對撞機並用它來尋找希格斯玻色子和超對稱粒子。中期的目標是建造國際直線對撞機（International_Linear_Collider, ILC）。這個對撞機的技術實現方法已於2004年8月決定，但其地址還沒有決定。國際直線對撞機與大型強子對撞機是互相補充的實驗設備，大型強子對撞機更適合用來尋找新的粒子，而國際直線對撞機則更適合用來精確地測量這些粒子的特性。

粒子物理學的其它重要目標包括測量中微子的靜質量和澄清質子的雙重β衰變是否存在。這些實驗不一定需要使用對撞機。

標準模型

在粒子物理學里，標準模型（英語：Standard Model, SM）是一套描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論。它隸屬量子場論的範疇，並與量子力學及狹義相對論相容。到目前為止，幾乎所有對以上三種力的實驗的結果都合乎這套理論的預測。但是標準模型還不是一套萬有理論，主要是因為它並沒有描述到引力。

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）。

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·薩拉姆與史蒂文·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。