電弱交互作用

在粒子物理學中，電弱交互作用是電磁作用與弱交互作用的統一描述，而這兩種作用都是自然界中四種已知基本力。雖然在日常的低能量情況下，電磁作用與弱作用存在很大的差異，然而在超過統一溫度，即數量級在100 GeV的情況下，這兩種作用力會統合成單一的電弱作用力。因此如果宇宙是足夠的熱（約1015K，在大爆炸發生不久以後溫度才降至比上述低的水平），就只有一種電弱作用力，不會有分開的電磁作用與弱交互作用。

由於將基本粒子的電磁作用與弱作用統一的這項貢獻，阿卜杜勒·薩拉姆、謝爾登·格拉肖以及史蒂文·溫伯格獲頒1979年的諾貝爾物理獎。電弱交互作用的理論目前經以下兩個實驗證明存在：
 1973年在Gargamelle氣泡室首次在微中子散射實驗中發現中性流的存在。
 1983年在超級質子同步加速器進行的UA1和UA2質子反質子對撞實驗中發現W及Z玻色子。

數學表述

數學上統一電磁作用及弱作用是經由一個SU(2)×U(1)的規範群。當中對應的零質量規範玻色子分別是三個來自 SU(2)弱同位旋的W玻色子(、和)以及一個來自U(1)弱超荷的B0玻色子。

在標準模型裡和玻色子和光子是經由SU(2)×U(1)Y的電弱對稱性自發對稱破缺成U(1)em所產生的，此一過程稱作希格斯機制（見希格斯玻色子）。U(1)Y和U(1)em都屬於U(1)群，但兩者不同；U(1)em的生成元是電荷Q=Y/2+I3，而其中Y是U(1)Y（叫弱超荷）的生成元，I3（弱同位旋的一個分量）則是SU(2)的其中一個生成元。

自發對稱破缺使和B0玻色子組合成兩種不同的玻色子：玻色子和光子(γ)。
如下：

 

其中θW為弱混合角。對稱破缺使得代表粒子的軸在(, B0)平面上旋轉，其旋轉角為θW（見右圖）。對稱破缺同時使得和的質量變得不一樣（它們的質量分別以MZ和MW表示）：

電磁作用與弱力在對稱破缺後變得不同，是因為希格斯玻色子的Y及I3，可以組成一個答案為零的線性組合：U(1)em的定義生成元（電荷）正是這個組合，所以電磁作用不與希格斯場作用，亦因此保留對稱性（光子零質量）。

拉格朗日量

自發對稱破缺之前
電弱交互作用的拉格朗日量在自發對稱破缺之前分成四個部分：

項描述三種W粒子及一種B粒子的交互作用：

其中 ()及分別為弱同位旋及弱超荷的場強度張量。

為標準模型費米子的動能項。規範玻色子與費米子間的交互作用是由共變導數所描述的。

其中下標代表費米子代，根據愛因斯坦求和約定，各項中重覆的下標會把三代的結果都加起來，而、和分別代表夸克的左手性雙重態、右手性上單重態和右手性下單重態，和則代表輕子的左手性雙重態和右手性電子單重態。注意右手性中微子是不參與弱相互作用的，因此輕子比夸克少一個項。

描述希格斯場F：

負責提供湯川耦合，它會把希格斯場所產生的真空期望值變成質量，

自發對稱破缺之後
在希格斯玻色子獲得真空期望值後，拉格朗日量

動能項含有拉格朗日量中所有的二次項，當中包括動力項（偏微分）和質量項（明顯地沒有出現於對稱破缺之前的拉格朗日量之中）。

其中總和把理論中費米子（夸克和輕子）的各代都加起來，而場、、及的形式如下：

，（將X替換成相應的場，而則是規範群的架構常數）。

拉格朗日量中的中性流分量與載荷流分量，就是費米子與規範玻色子間的交互作用。

,

其中電磁流及中性弱流分別為

,

及

和分別是費米子的電荷和弱同位旋。

拉格朗日量的載荷流部分如下：

代表希格斯場的三點及四點自身交互作用。

代表規範向量玻色子的希格斯交互作用。

代表規範場的三點自身交互作用。

代表規範場的四點自身交互作用。

而則代表費米子與希格斯場間的湯川交互作用。

注意各個弱耦合裏這個因子：這些因子會把旋量場的左手性分量投映出來。因此（對稱性破缺後的）電弱理論一般由被稱為手徵理論。

相關連結
基本交互作用
標準模型
弱混合角

參考資料

一般讀物
 在沒有正規數學的情況下，傳遞出標準模型的大部份內容。在弱交互作用方面非常地深入。

教科書

論文

 

粒子物理学
量子場論