[科普中國]-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，其余三種為強(qiáng)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，恒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(fèi)米子，即所有自旋為半奇數(shù)的粒子。

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，其余三種為強(qiáng)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，恒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(fèi)米子，即所有自旋為半奇數(shù)的粒子。

在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)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(fā)射及吸收）所引起的，由于弱力是由玻色子的發(fā)射（或吸收）所造成的，所以它是一種非接觸力。這種發(fā)射中最有名的是β衰變，它是放射性的一種表現(xiàn)。重的粒子性質(zhì)不穩(wěn)定，由于Z及W玻色子比質(zhì)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?yàn)棣滤プ儼l(fā)生的概率比強(qiáng)相互作用低很多，表示它的一般強(qiáng)度比電磁及強(qiáng)核力弱好幾個數(shù)量級。大部分粒子在一段時間后，都會通過弱相互作用衰變。弱相互作用有一種獨(dú)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(diǎn)。另外，它還會破壞宇稱對稱及CP對稱?？淇说奈蹲兪沟每淇四軌蛟诹N“味”之間互換。

弱力最早的描述是在1930年代，是四費(fèi)米子接觸相互作用的費(fèi)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(xiàn)在最好是用有作用距離的場來描述它，盡管那個距離很短。在1968年，電磁與弱相互作用統(tǒng)一了，它們是同一種力的兩個方面，現(xiàn)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(chǎn)重氫和氦的過程中（恒星熱核反應(yīng)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，常見于超重氫照明；也造就了β伏這一應(yīng)用領(lǐng)域（把β射線的電子當(dāng)電流用）。1

性質(zhì)弱相互作用有如下的數(shù)項特點(diǎn)：

唯一能夠改變夸克味的相互作用。

唯一能令宇稱不守恒的相互作用。因此它也是唯一違反CP對稱的相互作用。

由具質(zhì)量的規(guī)范玻色子所介導(dǎo)的相互作用。這一不尋常的特點(diǎn)可由標(biāo)準(zhǔn)模型的希格斯機(jī)制得出。

對稱破缺長久以來，人們以為自然定律在鏡像反射后會維持不變，鏡像反射等同把所有空間軸反轉(zhuǎn)。也就是說在鏡中看實(shí)驗(yàn)，跟把實(shí)驗(yàn)設(shè)備轉(zhuǎn)成鏡像方向后看實(shí)驗(yàn)，兩者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果會是一樣的。這條所謂的定律叫宇稱守恒，經(jīng)典重力、電磁及強(qiáng)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。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。吳健雄與同事于1957年發(fā)現(xiàn)了弱相互作用的宇稱不守恒，為楊振寧與李政道帶來了1957年的諾貝爾物理學(xué)獎。

盡管以前用費(fèi)米理論就能描述弱相互作用，但是在發(fā)現(xiàn)宇稱不守恒及重整化理論后，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(dá)尚，及稍后理查德·費(fèi)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，弱相互作用只作用于左手粒子（或右手反粒子）。由于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，由于V?A開發(fā)時還未有發(fā)現(xiàn)Z玻色子，所以理論并沒有包括進(jìn)入中性流相互作用的右手場。

然而，該理論允許復(fù)合對稱CP守恒。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(fā)現(xiàn)完全出乎物理學(xué)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(jù)，二人因此獲得1980年的諾貝爾物理學(xué)獎。小林誠與益川敏英于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(fā)現(xiàn)實(shí)際上預(yù)測了第三代粒子的存在，而這個預(yù)測在2008年為他們帶來了半個諾貝爾物理學(xué)獎。跟宇稱不守恒不一樣，CP破壞的發(fā)生概率并不高，但是它仍是解答宇宙間物質(zhì)反物質(zhì)失衡的一大關(guān)鍵；它因此成了安德烈·薩哈羅夫的重子產(chǎn)生過程三條件之一。1

電弱理論主條目：弱電相互作用

在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)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(fā)表，開發(fā)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(xué)獎的肯定。希格斯機(jī)制解釋了三種大質(zhì)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(zhì)量光子。

根據(jù)電弱理論，在能量非常高的時候，宇宙共有四種無質(zhì)量的規(guī)范玻色子場，它們跟光子類似，還有一個復(fù)矢量希格斯場雙重態(tài)。然而在能量低的時候，規(guī)范對稱會出現(xiàn)自發(fā)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(chǎn)生三種無質(zhì)量玻色子，但是它們會與三股光子類場融合，這樣希格斯機(jī)制會為它們帶來質(zhì)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(guī)范場則繼續(xù)保持無質(zhì)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(yù)測，包括在Z及W玻色子發(fā)現(xiàn)前預(yù)測到它們的質(zhì)量，但是希格斯玻色子本身仍未被發(fā)現(xiàn)。歐洲核子研究組織轄下的大型強(qiáng)子對撞機(jī)，它其中一項主要任務(wù)，就是要生產(chǎn)出希格斯玻色子。 2013年3月14日，歐洲核子研究組織發(fā)布新聞稿，正式宣布探測到新的粒子，即希格斯玻色子。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

程鵬 - 副教授 - 西南大學(xué)