弱相互作用

title: 性质.
content: zh-hans:;zh-hant: 弱相互作用有如下的数项特点:  由于弱相互作用载体粒子(W及Z玻色子)质量很大(约 90 GeV/c),所以他们的寿命很短:平均寿命约为 3 × 10秒。弱相互作用的耦合常数(相互作用强度的一个指标)介乎10与10之间,而相比下,强相互作用的耦合常数约为1,故就强度而言,弱相互作用是弱的。弱相互作用的作用距离很短(约为10–10 m)。在大约10米的距离下,弱相互作用的强度与电磁大约一致;但在大约3×10的距离下,弱相互作用比电磁弱一万倍。  在标准模型中,弱相互作用会影响所有费米子,还有希格斯玻色子;弱相互作用是除引力相互作用外唯一一种对中微子有效的相互作用。弱相互作用并不产生束缚态(它也不需要束缚能),而重力、电磁力和强核力则分别会在天文、原子、原子核的尺度下产生束缚态。  它最明显的过程是由第一项特点所造成的:味变。比方说,一个中子比一个质子(中子的核子拍档)重,但它不能在没有变味(种类)的情况下衰变成质子,它两个“下夸克”中的一个需要变成“上夸克”。由于强相互作用和电磁相互作用都不允许味变,所以它一定要用弱相互作用;没有弱相互作用的话:夸克的特性,如奇异及魅(与同名的夸克相关),会在所有相互作用下守恒。因为弱衰变的关系,所以所有介子都不稳定。在β衰变这个过程下,中子里面的“下夸克”,会发射出一个虚玻色子,它随即衰变成一电子及一反电中微子。  由于玻色子的大质量,所以弱衰变相对于强或电磁衰变,可能性是比较低的,因此发生得比较慢。例如,一个中性π介子在通过电磁衰变时,寿命约为10秒;而一个带电π介子的通过弱核力衰变时,寿命约为10秒,是前者的一亿倍。相比下,一个自由中子(通过弱相互作用衰变)的寿命约为15分钟。
title: 弱同位旋与弱超荷.
content: 弱同位旋(T)是所有粒子都拥有的一种性质(量子数),决定了粒子在弱相互作用下该如何反应。对于弱相互作用来说,弱同位旋的作用跟电磁相互作用中的电荷,或者是强相互作用中的色荷一样。所有费米子的弱同位旋均为+或-,例如上夸克的弱同位旋为+,而下夸克的弱同位旋则为-。另一方面,在弱衰变的前后,夸克的T永远是不一样的。也就是说,T = +的上型夸克(上、粲(魅)及顶),在弱衰变后必须变为T = −的下型夸克(下、奇及底),反之亦然。 弱同位旋是守恒的:反应产物的弱同位旋总和,等于反应物的弱同位旋总和。例如,一左手介子,弱同位旋为+1,一般衰变成一(+)及一(+,因为是右手反粒子)。  在电弱理论中,粒子有一种新的性质,称为弱超荷。它的数值由粒子的电荷及弱同位旋决定: 其中"Y"为粒子的弱超荷,"Q"为电荷(以基本电荷为单位)及"T"为弱同位旋。弱超荷是U(1)部分生成元的规范群。
title: 对称破缺.
content: 长久以来,人们以为自然定律在镜像反射后会维持不变,镜像反射等同把所有空间轴反转。也就是说在镜中看实验,跟把实验设备转成镜像方向后看实验,两者的实验结果会是一样的。这条所谓的定律叫宇称守恒,古典重力、电磁及强相互作用都遵守这条定律;它被假定为一条万物通用的定律。然而,在1950年代中期,杨振宁与李政道提出弱相互作用可能会破坏这一条定律。吴健雄与同事于1957年发现了弱相互作用的宇称不守恒,为杨振宁与李政道带来了1957年的诺贝尔物理学奖。  尽管以前用费米理论就能描述弱相互作用,但是在发现宇称不守恒及重整化理论后,弱相互作用需要一种新的描述手法。在1957年罗伯特·马沙克与乔治·苏达尚,及稍后理乍得·费曼与默里·盖尔曼,提出了弱相互作用的V−A(向量V减轴向量A或左手性)拉格朗日量。在这套理论中,弱相互作用只作用于左手粒子(或右手反粒子)。由于左手粒子的镜像反射是右手粒子,所以这解释了宇称的最大破坏。有趣的是,由于V−A开发时还未有发现Z玻色子,所以理论并没有包括进入中性流相互作用的右手场。  然而,该理论允许复合对称CP守恒。CP由两部分组成,宇称P(左右互换)及电荷共轭C(把粒子换成反粒子)。1964年的一个发现完全出乎物理学家的意料,詹姆斯·克罗宁与瓦尔·菲奇以K介子衰变,为弱相用作用下CP对称破缺提供了明确的证据,二人因此获得1980年的诺贝尔物理学奖。小林诚与益川敏英于1972年指出,弱相互作用的CP破坏,需要两代以上的粒子,因此这项发现实际上预测了第三代粒子的存在,而这个预测在2008年为他们带来了半个诺贝尔物理学奖。跟宇称不守恒不一样,CP破坏的发生概率并不高,但是它仍是解答宇宙间物质反物质失衡的一大关键;它因此成了安德烈·萨哈罗夫的重子产生过程三条件之一。
title: 相互作用类型.
content: 弱相互作用共有两种。第一种叫“载荷流相互作用”,因为负责传递它的粒子带电荷(或),β衰变就是由它所引起的。第二种叫“中性流相互作用”,因为负责传递它的粒子,Z玻色子,是中性的(不带电荷)。
title: 载荷流相互作用.
content: 在其中一种载荷流相互作用中,一带电荷的轻子(例如电子或μ子,电荷为−1)可以吸收一玻色子(电荷为+1),然后转化成对应的中微子(电荷为0),而中微子(电子、μ及τ)的类型(代)跟相互作用前的轻子一致,例如: 同样地,一下型夸克(电荷为−)可以通过发射一玻色子,或吸收一玻色子,来转化成一上型夸克(电荷为+)。更准确地,下型夸克变成了上型夸克的量子叠加态:也就是说,它有着转化成三种上型夸克中任何一种的可能性,可能性的大小由CKM矩阵所描述。相反地,一上型夸克可以发射一玻色子,或吸收一玻色子,然后转化成一下型夸克: 由于W玻色子很不稳定,所以它寿命很短,很快就发生衰变。例如: W玻色子可以衰变成其他产物,可能性不一。  在中子所谓的β衰变中(见上图),中子内的一下夸克,发射出一虚玻色子,并因此转化成一上夸克,中子亦因此转化成质子。由于过程中的能量(即下夸克与上夸克间的质量差),只能转化成一电子及一反电中微子。在夸克的层次,过程可由下式所述:
title: 中性流相互作用.
content: 在中性流相互作用中,一夸克或一轻子(例如一电子或μ子)发射或吸收一中性Z玻色子。例如:  跟W玻色子一样,Z玻色子也会迅速衰变,例如:
title: 电弱理论.
content: 在粒子物理学的标准模型描述中,弱相互作用与电磁相互作用是同一种相互作用的不同方面,叫电弱相互作用,这套理论在1968年发表,开发者为谢尔登·格拉肖、阿卜杜勒·萨拉姆与史蒂文·温伯格。他们的研究在1979年获得了诺贝尔物理学奖的肯定。希格斯机制解释了三种大质量玻色子(弱相互作用的三种载体)的存在,还有电磁相互作用的无质量光子。  根据电弱理论,在能量非常高的时候,宇宙共有四种无质量的规范玻色子场,它们跟光子类似,还有一个复向量希格斯场双重态。然而在能量低的时候,规范对称会出现自发破缺,变成电磁相互作用的U(1)对称(其中一个希格斯场有了真空期望值)。虽然这种对称破缺会产生三种无质量玻色子,但是它们会与三股光子类场融合,这样希格斯机制会为它们带来质量。这三股场就成为了弱相互作用的、及Z玻色子,而第四股规范场则继续保持无质量,也就是电磁相互作用的光子。  虽然这套理论作出好几个预测,包括在Z及W玻色子发现前预测到它们的质量,但是希格斯玻色子本身仍未被发现。欧洲核子研究组织辖下的大型强子对撞机,它其中一项主要任务,就是要生产出希格斯玻色子。 2013年3月14日,欧洲核子研究组织发布新闻稿,正式宣布探测到新的粒子,即希格斯玻色子。

Summary: 弱相互作用(又称弱力或弱核力)是自然的四种基本力中的一种,其余三种为强核力、电磁力及万有引力。次原子粒子的放射性衰变就是由它引起的,恒星中一种叫氢聚变的过程也是由它启动的。弱相互作用会影响所有费米子,即所有自旋为半奇数的粒子。

Weak interaction: In nuclear physics and particle physics, the weak interaction, which is also often called the weak force or weak nuclear force, is the mechanism of interaction between subatomic particles that is responsible for the radioactive decay of atoms. The weak interaction participates in nuclear fission, and the theory describing it in terms of both its behaviour and effects is sometimes called quantum flavourdynamics (QFD). However, the term QFD is rarely used, because the weak force is better understood in terms of electroweak theory (EWT).