弱相互作用- 维基百科,自由的百科全书
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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、电磁力及万有引力。
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 ...
弱相互作用
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希格斯
閱論編
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交互作用低很多[1],表示它的一般強度比電磁及強核力弱好幾個數量級。
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]。
目次
1性質
1.1弱同位旋與弱超荷
1.2對稱破缺
2相互作用類型
2.1載荷流相互作用
2.2中性流相互作用
3電弱理論
4參考資料
4.1註釋
4.2大眾書籍
4.3科學書籍
性質[編輯]
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:
唯一能夠改變夸克味的相互作用。
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90GeV/c2[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[編輯]
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
e
−
{\displaystylee^{-}\,}
−
1
/
2
{\displaystyle-1/2\,}
μ子
μ
−
{\displaystyle\mu^{-}\,}
−
1
/
2
{\displaystyle-1/2\,}
τ子
τ
−
{\displaystyle\tau^{-}\,}
−
1
/
2
{\displaystyle-1/2\,}
電中微子
ν
e
{\displaystyle\nu_{e}\,}
+
1
/
2
{\displaystyle+1/2\,}
μ中微子
ν
μ
{\displaystyle\nu_{\mu}\,}
+
1
/
2
{\displaystyle+1/2\,}
τ中微子
ν
τ
{\displaystyle\nu_{\tau}\,}
+
1
/
2
{\displaystyle+1/2\,}
上夸克
u
{\displaystyleu\,}
+
1
/
2
{\displaystyle+1/2\,}
魅夸克
c
{\displaystylec\,}
+
1
/
2
{\displaystyle+1/2\,}
頂夸克
t
{\displaystylet\,}
+
1
/
2
{\displaystyle+1/2\,}
下夸克
d
{\displaystyled\,}
−
1
/
2
{\displaystyle-1/2\,}
奇夸克
s
{\displaystyles\,}
−
1
/
2
{\displaystyle-1/2\,}
底夸克
b
{\displaystyleb\,}
−
1
/
2
{\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νμ(+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:
Y
W
=
2
(
Q
−
T
3
)
{\displaystyle\qquadY_{W}=2(Q-T_{3})}
,
其中YW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[編輯]
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.GeorgeSudarshan)[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[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條件之一[24]。
相互作用類型[編輯]
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[編輯]
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,例如:
μ
−
+
W
+
→
ν
μ
{\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:
d
→
u
+
W
−
{\displaystyled\tou+W^{-}}
d
+
W
+
→
u
{\displaystyled+W^{+}\tou}
c
→
s
+
W
+
{\displaystylec\tos+W^{+}}
c
+
W
−
→
s
{\displaystylec+W^{-}\tos}
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
−
→
e
−
+
ν
¯
e
{\displaystyleW^{-}\toe^{-}+{\bar{\nu}}_{e}~}
W
+
→
e
+
+
ν
e
{\displaystyleW^{+}\toe^{+}+\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:
d
→
u
+
e
−
+
ν
¯
e
{\displaystyled\tou+e^{-}+{\bar{\nu}}_{e}~}
中性流相互作用[編輯]
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:
e
−
→
e
−
+
Z
0
{\displaystylee^{-}\toe^{-}+Z^{0}}
跟W玻色子一樣,Z玻色子也會迅速衰變[25],例如:
Z
0
→
b
+
b
¯
{\displaystyleZ^{0}\tob+{\bar{b}}}
電弱理論[編輯]
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[編輯]
註釋[編輯]
^弱交互作用有什麼用?
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大眾書籍[編輯]
Oerter,R.TheTheoryofAlmostEverything:TheStandardModel,theUnsungTriumphofModernPhysics.Plume.2006.ISBN 9780132366786.
Schumm,B.A.DeepDownThings:TheBreathtakingBeautyofParticlePhysics.JohnsHopkinsUniversityPress.2004.ISBN 0-8018-7971-X.
科學書籍[編輯]
Bromley,D.A.GaugeTheoryofWeakInteractions.Springer.2000.ISBN 3-540-67672-4.
Coughlan,G.D.;Dodd,J.E.;Gripaios,B.M.TheIdeasofParticlePhysics:AnIntroductionforScientists3rd.CambridgeUniversityPress.2006.ISBN 978-0521677752.
Cottingham,W.N.;Greenwood,D.A.Anintroductiontonuclearphysics2.CambridgeUniversityPress.2001:30.ISBN 9780521657334.
Griffiths,D.J.IntroductiontoElementaryParticles.JohnWiley&Sons.1987.ISBN 0-471-60386-4.
Kane,G.L.ModernElementaryParticlePhysics.PerseusBooks.1987.ISBN 0-201-11749-5.
Perkins,D.H.IntroductiontoHighEnergyPhysics.CambridgeUniversityPress.2000.ISBN 0-521-62196-8.
閱論編物理學的基本相互作用物理力
強相互作用
弱相互作用
電磁相互作用
引力相互作用輻射
電磁輻射
重力波假想的力
第五種力
第五元素
弱引力猜想
幻能量
閱論編粒子物理學基本粒子費米子夸克
u
u
d
d
c
c
s
s
t
t
b
b
輕子
e-
e+
μ-
μ+
τ-
τ+
νe
ve
νμ
vμ
ντ
vτ
玻色子標量玻色子
H
規範玻色子
γ
g
W±
Z0
複合粒子強子重子
Δ
核子
p
p
n
n
超子
Λ
Σ
Ξ
Ω
介子
π
K
ρ
J/ψ
ϒ
D
B
未發現介子
θ
T
夸克偶素
其它
原子核
原子
超原子
奇異原子
電子偶素
緲子偶素
真緲子偶素
介子偶素(英語:Onium)
介子原子
超子原子
反氫
介子核
超核
重味超核
分子
離子
假想的基本粒子超對稱粒子超規範子
超膠子
超引力子
超光子
超荷子
超中性子
其他
超希格斯粒子(英語:Higgsino)
超費米子
超軸子
超脹子
其它
任意子
脹子
加速子
快子
A0
G
m
X
Y
W'(英語:W′_and_Z′_bosons)
Z'(英語:W′_and_Z′_bosons)
普朗克粒子
馬約拉納粒子
鬼
斯格明子
惰性中微子
大質量弱相互作用粒子(WIMP)
假想的複合粒子奇異強子奇異重子
五夸克態
七夸克態
R-重子
奇異介子
四夸克態
六夸克態(雙重子態)
膠球
混雜態
其它
介子分子(英語:Mesonicmolecule)
坡密子(英語:Pomeron)
奇數子(英語:odderon)
雙夸克(英語:Diquark)
準粒子
達維多夫孤子(英語:Davydovsoliton)
量子滴(英語:Dropleton)
激子
空穴
磁振子
聲子
磁單極子
電漿子
電磁極化子
極子
旋子(英語:Roton)
列表
粒子列表
奇異原子列表
准粒子列表
介子列表
重子列表
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物理學主題
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GND:4129644-8
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SUDOC:027577767
取自「https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=弱相互作用&oldid=67968946」
分類:基本相互作用原子核物理學電弱理論隱藏分類:引文格式1錯誤:日期包含BNE標識符的維基百科條目包含BNF標識符的維基百科條目包含GND標識符的維基百科條目包含LCCN標識符的維基百科條目包含SUDOC標識符的維基百科條目優良條目
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