อันตรกิริยาอย่างอ่อน

ในฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์อนุภาค อันตรกิริยาอย่างอ่อน (อังกฤษ: weak interaction) หรือที่เรียกอีกชื่อหนึ่งว่าแรงอย่างอ่อน (weak force) เป็นหนึ่งในสี่อันตรกิริยาพื้นฐานที่เป็นที่รู้กันในปัจจุบัน โดยอันตรกิริยาอีกสามอย่างที่เหลือนั้นประกอบด้วย แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetism), อันตรกิริยาอย่างเข้ม (strong interaction) และแรงโน้มถ่วง (gravitation) ปฏิสัมพันธ์อย่างอ่อนเป็นกลไกของการมีปฏิสัมพันธ์กันระหว่างอนุภาคย่อยของอะตอมที่มีบทบาทสำคัญต่อการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี (radioactive decay) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเกิดปฏิกิริยาการแยกนิวเคลียส (nuclear fission) และการหลอมนิวเคลียส (nuclear fusion) ทฤษฎีที่ใช้อธิบายพฤติกรรมและผลกระทบของอันตรกิริยาอย่างอ่อนนั้นในบางครั้งเรียกว่าควอนตัมเฟลเวอร์ไดนามิกส์ (quantum flavordynamics หรือ QFD) อย่างไรก็ตาม คำว่า QFD ไม่เป็นที่นิยมนำไปใช้งานเท่าใดนัก เนื่องจากอันตรกิริยาอย่างอ่อนนั้นสามารถเข้าใจได้ดีกว่าผ่านทฤษฎีแรงไฟฟ้าอ่อน (electroweak theory หรือ EWT) ซึ่งเป็นกรอบทฤษฎีที่ครอบคลุมอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้าและอันตรกิริยาอย่างอ่อนเข้าด้วยกันGriffiths, David (2009). Introduction to Elementary Particles. pp. 59–60. ISBN 978-3-527-40601-2.

ระยะส่งผลของอันตรกิริยาอย่างอ่อนนั้นถูกจำกัดอยู่ที่ระดับเล็กกว่าอะตอม ซึ่งมีค่าน้อยกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอน

 ภูมิหลัง 
แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค (Standard Model of particle physics) เป็นกรอบทฤษฎีที่รวมเอาอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้า, อันตรกิริยาอย่างอ่อน และอันตรกิริยาอย่างเข้มเข้าด้วยกันในลักษณะที่เป็นเอกภาพ ซึ่งอันตรกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคสองตัว (โดยทั่วไปคือเฟอร์มิออนที่มีสปินเป็นครึ่งจำนวนเต็ม แต่ไม่จำเป็นเสมอไป) มีการแลกเปลี่ยนโบซอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีสปินเป็นจำนวนเต็ม เฟอร์มิออนที่เกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนดังกล่าวอาจเป็นอนุภาคมูลฐาน (เช่น อิเล็กตรอนหรือควาร์ก) หรืออนุภาคประกอบ (เช่น โปรตอนหรือนิวตรอน) ถึงแม้ว่าในระดับที่ลึกที่สุด นั้นอันตรกิริยาอย่างอ่อนทั้งหมดจะเกิดขึ้นระหว่างอนุภาคมูลฐานเท่านั้น

ในระหว่างที่มีอันตรกิริยาอย่างอ่อนนั้นเฟอร์มิออนสามารถแลกเปลี่ยนอนุภาคสื่อแรงได้สามชนิด ได้แก่ โบซอน W⁺, W⁻ และ Z โบซอน โดยมวลของโบซอนเหล่านี้มีค่ามากกว่ามวลของโปรตอนหรือ นิวตรอนอย่างมาก ซึ่งสอดคล้องกับระยะการส่งผลที่สั้นของแรงอย่างอ่อน ทั้งนี้ แรงดังกล่าวถูกเรียกว่า "แรงอย่างอ่อน" เนื่องจากความเข้มของสนามแรงในระยะทางใด ๆ มักจะมีค่าต่ำกว่าความเข้มของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าหลายอยู่หลายขั้น และแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเองก็มีความเข้มต่ำกว่าแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มอีกหลายขั้นเช่นกัน

อันตรกิริยาอย่างอ่อนเป็นอันตรกิริยาพื้นฐานเพียงชนิดเดียวที่ละเมิดสมมาตรพาริตี (parity symmetry) และในทำนองเดียวกัน แม้จะเกิดขึ้นได้ยากกว่ามาก แต่อันตรกิริยาชนิดนี้ยังเป็นอันตรกิริยาเพียงชนิดเดียวที่ละเมิดสมมาตรประจุ-พาริตี (charge–parity symmetry) อีกด้วย

ควาร์กอันเป็นองค์ประกอบของอนุภาคประกอบ เช่น นิวตรอนและโปรตอน มีทั้งหมดหก "เฟลเวอร์" (flavour) ได้แก่ อัพ (up), ดาวน์ (down), ชาร์ม (charm), สเตรนจ์ (strange), ท็อป (top) และ บอตทอม (bottom) ซึ่งเฟลเวอร์เหล่านี้เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติของอนุภาคประกอบที่ควาร์กประกอบขึ้น อันตรกิริยาอย่างอ่อนมีลักษณะเฉพาะตัวที่สามารถทำให้ควาร์กเปลี่ยนเฟลเวอร์ของตนเป็นแบบอื่นได้ การเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้นผ่านการแลกเปลี่ยนโบซอนสื่อแรง เช่น ในกระบวนการสลายตัวแบบเบตาลบ (beta-minus decay) อนุภาคดาวน์ควาร์กในนิวตรอนเปลี่ยนเป็นอัพควาร์กทำให้นิวตรอนเปลี่ยนเป็นโปรตอน และส่งผลให้มีการปล่อยอิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนแอนตินิวตริโนออกมา

อันตรกิริยาอย่างอ่อนมีความสำคัญต่อกระบวนการหลอมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมในดาวฤกษ์ เนื่องจากอันตรกิริยาชนิดนี้สามารถเปลี่ยนโปรตอน (ไฮโดรเจน) ให้เป็นนิวตรอนเพื่อสร้างดิวเทอเรียม ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญที่ทำให้กระบวนการหลอมนิวเคลียสดำเนินต่อไปจนก่อให้เกิดฮีเลียม การสะสมตัวของนิวตรอนยังช่วยให้เกิดการสร้างนิวเคลียสหนักขึ้นภายในดาวฤกษ์อีกด้วย

อนุภาคเฟอร์มิออนส่วนใหญ่จะสลายตัวผ่านอันตรกิริยาอย่างอ่อนเมื่อเวลาผ่านไป การสลายตัวนี้ทำให้เกิดเทคนิคการหาอายุจากคาร์บอนกัมมันตรังสี (radiocarbon dating) เนื่องจากคาร์บอน-14 จะสลายตัวเป็นไนโตรเจน-14 ผ่านอันตรกิริยาอย่างอ่อน อันตรกิริยานี้ยังสามารถก่อให้เกิดการเรืองแสงจากสารกัมมันตรังสี (radioluminescence) ซึ่งถูกนำไปใช้ในกระบวนการสร้างแสงด้วยทริเทียม (tritium luminescence) และในเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับบีตาโวลตาอิกส์ (betavoltaics) อย่างไรก็ตาม การเรืองแสงนี้ไม่เหมือนกับการเรืองแสงจากเรเดียม (radium luminescence)

แรงไฟฟ้าอ่อนได้รับการเชื่อว่าได้แยกตัวออกเป็นแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงอย่างอ่อนในยุคควาร์ก (quark epoch) ของจักรวาลยุคเริ่มต้น

 ประวัติ 
ในปี ค.ศ. 1933 เอนรีโก แฟร์มี (Enrico Fermi) ได้เสนอทฤษฎีแรกเกี่ยวกับอันตรกิริยาอย่างอ่อน ซึ่งเป็นที่รู้จักในชื่อ "ปฏิสัมพันธ์ของแฟร์มี" (Fermi's interaction) โดยเขาเสนอว่ากระบวนการการสลายตัวแบบบีตาสามารถอธิบายได้ด้วยปฏิสัมพันธ์หรืออันตรกิริยาระหว่างเฟอร์มิออนสี่ตัวที่เกิดขึ้นผ่านแรงสัมผัส (contact force) ซึ่งไม่มีระยะการกระทำ

ในช่วงกลางทศวรรษ 1950 เฉินหนิง หยาง (Chen-Ning Yang) และจางเต๋า ลี (Tsung-Dao Lee) ได้เสนอแนวคิดว่าทิศทางของสปินของอนุภาคในอันตรกิริยาอย่างอ่อนอาจละเมิดกฎการอนุรักษ์หรือสมมาตร ต่อมาในปี ค.ศ. 1957 เจิ้งชง อู๋ (Chien Shiung Wu) และคณะได้ยืนยันการละเมิดสมมาตรดังกล่าวผ่านการทดลอง"The Nobel Prize in Physics". NobelPrize.org. Nobel Media. 1957. Retrieved 26 February 2011.

ในทศวรรษ 1960 เชลดอน กลาชาว (Sheldon Glashow), อับดุส ซาลาม (Abdus Salam) และสตีเวน ไวน์เบิร์ก (Steven Weinberg) ได้รวมแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและอันตรกิริยาอย่างอ่อนเข้าด้วยกัน โดยแสดงให้เห็นว่าแรงทั้งสองเป็นมุมมองที่ต่างกันของแรงเดียวกัน ซึ่งในปัจจุบันเรียกว่าแรงไฟฟ้าอ่อน (electroweak force)

การมีอยู่ของโบซอน W และ Z ยังไม่ได้รับการยืนยันโดยตรงจนกระทั่งปี ค.ศ. 1983Cottingham, W. N.; Greenwood, D. A. (2001) [1986]. An introduction to nuclear physics (2nd ed.). Cambridge University Press. p. 30. ISBN 978-0-521-65733-4.(หน้าที่ 8)

 คุณสมบัติ 
อันตรกิริยาอย่างอ่อนที่มีประจุไฟฟ้ามีลักษณะเฉพาะหลายประการ ดังนี้:

 เป็นอันตรกิริยาเพียงชนิดเดียวที่สามารถเปลี่ยนเฟลเวอร์ของควาร์กและเลปตอน (เช่น เปลี่ยนควาร์กชนิดหนึ่งให้กลายเป็นอีกชนิดหนึ่ง)[เชิงอรรถ 1]
 เป็นอันตรกิริยาเพียงชนิดเดียวที่ละเมิดสมมาตรพาริตี (P หรือ parity symmetry) รวมถึงเป็นปฏิสัมพันธ์เดียวที่ละเมิดสมมาตรประจุ-พาริตี (charge–parity หรือ CP symmetry)
 ทั้งอันตรกิริยาที่มีประจุไฟฟ้าและไม่มีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้นผ่านการส่งผ่านของอนุภาคนำพาแรงที่มีมวลมาก ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะที่แตกต่างจากอันตรกิริยาพื้นฐานอื่น ๆ โดยแบบจำลองมาตรฐานได้อธิบายลักษณะนี้ผ่านกลไกฮิกส์
เนื่องจากการที่มันมีมวลมาก (ประมาณ 90 GeV/c²) โบซอนตัวนำพาแรงที่มีชื่อเรียกว่า W และ Z จึงมีอายุสั้นมาก โดยมีช่วงอายุการสลายตัวต่ำกว่า 10-24 วินาทีWatkins, Peter (1986). Story of the W and Z. Cambridge: Cambridge University Press. p. 70. ISBN 978-0-521-31875-4. อันตรกิริยาอย่างอ่อนมีค่าคงที่การเชื่อมต่อ (coupling constant) (ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ความถี่ของการเกิดอันตรกิริยา) อยู่ในช่วง 10-7 ถึง 10-6 เมื่อเทียบกับค่าคงที่การเชื่อมต่อของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประมาณ 10-2 และแรงอย่างเข้มที่ประมาณ 1 ทำให้แรงอย่างอ่อนนี้มีความ "อ่อน" ในแง่ของความเข้มที่ต่ำกว่าแรงพื้นฐานอื่นChristman, J. (2001). "The Weak Interaction" (PDF). Physnet. Michigan State University. Archived from the original (PDF) on 20 July 2011 อันตรกิริยาอย่างอ่อนนั้นมีระยะการส่งผลที่สั้นมาก โดยมีช่วงระยะการส่งผลอยู่ที่ประมาณ 10-17 ถึง 10-16 เมตร (0.01 ถึง 0.1 เฟมโตเมตร)[เชิงอรรถ 2] โดยที่ระยะประมาณ 10-18 เมตร (0.001 เฟมโตเมตร) อันตรกิริยาอย่างอ่อนนั้นจะมีความเข้มใกล้เคียงกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ความเข้มนี้จะลดลงในอัตราที่เพิ่มขึ้นแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลเมื่อระยะทางเพิ่มขึ้น หากเพิ่มระยะออกไปประมาณ 1.5 ลำดับขั้นของขนาด (orders of magnitude) ที่ระยะประมาณ 3 × 10-17 เมตร อันตรกิริยาอย่างอ่อนจะอ่อนแอลงจนเหลือเพียง 1/10,000 ของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า

อันตรกิริยาอย่างอ่อนมีผลต่อเฟอร์มิออนทั้งหมดในแบบจำลองมาตรฐาน รวมถึงฮิกส์โบซอนด้วย สำหรับนิวทริโนนั้นอันตรกิริยาที่มีผลต่อมันคือแรงโน้มถ่วงและอันตรกิริยาอย่างอ่อนเท่านั้น อันตรกิริยาอย่างอ่อนไม่ก่อให้เกิดสถานะจำกัดขอบเขต (bound states) และไม่มีพลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy) ซึ่งแตกต่างจากแรงโน้มถ่วงที่ก่อให้เกิดการยึดเหนี่ยวในระดับดาราศาสตร์, แรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำหน้าที่ในระดับโมเลกุลและอะตอม และแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มที่มีผลเฉพาะในระดับอนุภาคย่อยภายในนิวเคลียสGreiner, Walter; Müller, Berndt (2009). Gauge Theory of Weak Interactions. Springer. p. 2. ISBN 978-3-540-87842-1.

ผลกระทบที่เด่นชัดที่สุดของอันตรกิริยาอย่างอ่อนมาจากคุณสมบัติเฉพาะที่สำคัญที่สุด คือการเปลี่ยนเฟลเวอร์ผ่านอันตรกิริยาอย่างอ่อนที่มีประจุไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น นิวตรอนซึ่งมีมวลมากกว่าโปรตอน (นิวคลีออนคู่ของมัน) สามารถสลายตัวไปเป็นโปรตอนได้โดยการเปลี่ยนเฟลเวอร์ (ชนิด) ของดาวน์ควาร์กหนึ่งในสองตัวให้เป็นอัพควาร์ก ทั้งอันตรกิริยาอย่างเข้มและแรงแม่เหล็กไฟฟ้าไม่สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนเฟลเวอร์ได้ ดังนั้นกระบวนการนี้จึงเกิดขึ้นได้เฉพาะวิธีการที่ผ่านการสลายตัวแบบอ่อนเท่านั้น หากไม่มีการสลายตัวแบบอ่อน คุณสมบัติของควาร์ก เช่น ความเป็นสเตรนจ์ (strangeness) และความเป็นชาร์ม (charm) ซึ่งเกี่ยวข้องกับสเตรนจ์ควาร์กและชาร์มควาร์ก จะยังคงถูกอนุรักษ์ไว้ในทุกอันตรกิริยา

อนุภาคเมซอนทั้งหมดไม่เสถียรเนื่องจากการสลายตัวแบบอ่อน(หน้าที่ 29)[เชิงอรรถ 3] ในกระบวนการที่เรียกว่าการสลายตัวแบบบีตานั้นอนุภาคดาวน์ควาร์กในนิวตรอนสามารถเปลี่ยนเป็นอัพควาร์กได้โดยการปล่อยโบซอน W— เสมือน ซึ่งจะสลายตัวต่อไปเป็นอิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนแอนตินิวทริโน(หน้าที่ 28) อีกตัวอย่างหนึ่งคือการจับอิเล็กตรอน (electron capture) ซึ่งเป็นรูปแบบทั่วไปของการสลายตัวกัมมันตรังสี โดยในกระบวนการนี้นั้นโปรตอนและอิเล็กตรอนภายในอะตอมจะทำปฏิกิริยากันและเปลี่ยนเป็นนิวตรอน (อัพควาร์กเปลี่ยนเป็นดาวน์ควาร์ก) พร้อมทั้งปล่อยอิเล็กตรอนนิวทริโนออกมา

เนื่องจากโบซอน W มีมวลมาก ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงหรือการสลายตัวของอนุภาค (เช่น การเปลี่ยนเฟลเวอร์) ที่ขึ้นอยู่กับอันตรกิริยาอย่างอ่อนจึงมักเกิดขึ้นช้ากว่าการเปลี่ยนแปลงหรือการสลายตัวที่ขึ้นอยู่กับอันตรกิริยาอย่างเข้มหรือแรงแม่เหล็กไฟฟ้า[เชิงอรรถ 4] ตัวอย่างเช่น ไพออนเป็นกลาง (neutral pion) ที่สลายตัวผ่านแรงแม่เหล็กไฟฟ้า จะทำให้มีอายุเพียงประมาณ 10-16 วินาที ในขณะที่ไพออนมีประจุ (charged pion) ที่สลายตัวได้โดยอันตรกิริยาอย่างอ่อนเท่านั้น ซึ่งจะทำให้มีอายุยาวนานถึงประมาณ 10-8 วินาที หรือยาวนานกว่าไพออนเป็นกลางถึงหนึ่งร้อยล้านเท่า(หน้าที่ 30) ตัวอย่างที่ชัดเจนยิ่งกว่าคือการสลายตัวแบบอ่อนของนิวตรอนอิสระ (free neutron) ซึ่งใช้เวลาประมาณ 15 นาที(หน้าที่ 28)

 ไอโซสปินอย่างอ่อนและไฮเปอร์ชาร์จอย่างอ่อน 

+ อนุภาคเฟอร์มิออนถนัดซ้ายในแบบจำลองมาตรฐานรุ่นที่ 1รุ่นที่ 2รุ่นที่ 3เฟอร์มิออนสัญลักษณ์ไอโซสปินอย่างอ่อนเฟอร์มิออนสัญลักษณ์ไอโซสปินอย่างอ่อนเฟอร์มิออนสัญลักษณ์ไอโซสปินอย่างอ่อน อิเล็กตรอนนิวทริโน   มิวออนนิวทริโน   ทาวนิวทริโน   อิเล็กตรอน   มิวออน  ทาว   อัพควาร์ก  ชาร์มควาร์ก  ท็อปควาร์ก  ดาวน์ควาร์ก  สเตรนจ์ควาร์ก  บ็อตทอมควาร์ก   อนุภาคถนัดซ้าย (ปกติ) ที่อยู่บนตารางทั้งหมดนั้นมีคู่ปฏิอนุภาคที่ถนัดขวาเป็นของตนเอง ซึ่งมีไอโซสปินอย่างอ่อนที่เท่ากันและตรงข้ามกัน อนุภาคถนัดขวา (ปกติ) และปฏิอนุภาคที่ถนัดซ้ายนั้นมีไอโซสปินอย่างอ่อนที่เท่ากับ 0
อนุภาคทุกชนิดมีคุณสมบัติที่เรียกว่าไอโซสปินอย่างอ่อน (weak isospin) ซึ่งมีสัญลักษณ์เป็น T3 โดยไอโซสปินนี้เป็นจำนวนควอนตัมเชิงบวกที่จำกัดวิธีที่อนุภาคสามารถทำปฏิสัมพันธ์กับโบซอน W± ของอันตรกิริยาอย่างอ่อน ไอโซสปินอย่างอ่อนทำหน้าที่ในอันตรกิริยาอย่างอ่อนกับอนุภาค W± เช่นเดียวกับที่ประจุไฟฟ้าทำหน้าที่ในแรงแม่เหล็กไฟฟ้า และประจุสีในอันตรกิริยาอย่างเข้ม นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติที่เรียกว่าประจุอ่อน (weak charge) อันจะกล่าวต่อไปด้านล่าง ซึ่งใช้สำหรับการปฏิสัมพันธ์กับอนุภาค Z0 เฟอร์มิออนที่ถนัดซ้ายทั้งหมดมีค่าไอโซสปินแบบอ่อนเท่ากับ  หรือ  ในขณะที่เฟอร์มิออนที่มีสปินขวาทั้งหมดมีค่าไอโซสปินเท่ากับ 0 ตัวอย่างเช่น อัพควาร์กมีค่าไอโซสปินเท่ากับ  และดาวน์ควาร์กมีค่าเท่ากับ  ควาร์กจะไม่สลายตัวผ่านอันตรกิริยาอย่างอ่อนให้เป็นควาร์กที่มีค่า T3 เท่ากันได้ ควาร์กที่มีค่า  จะสลายตัวเป็นควาร์กที่มีค่า  เท่านั้น รวมถึงในทางกลับกัน

สำหรับการพัฒนาทฤษฎีแรงไฟฟ้าอ่อนนั้นได้มีการกำหนดคุณสมบัติอีกอย่างหนึ่งขึ้นมาเรียกว่าไฮเปอร์ชาร์จอย่างอ่อน (weak hypercharge) ซึ่งนิยามดังนี้:

โดยที่  คือไฮเปอร์ชาร์จอย่างอ่อนของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า  (ในหน่วยประจุพื้นฐาน) และ T3 คือไอโซสปินแบบอ่อน ไฮเปอร์ชาร์จอย่างอ่อนเป็นตัวสร้างองค์ประกอบของ U(1) ในกลุ่มเกจของแรงไฟฟ้าอ่อน ทั้งนี้ แม้ว่าอนุภาคบางชนิดจะมีค่าไอโซสปินอย่างอ่อนเท่ากับศูนย์ แต่อนุภาคที่มีค่าสปินเท่ากับ  ทุกชนิดที่ทราบในปัจจุบันนั้นมีค่าไฮเปอร์ชาร์จอย่างอ่อนที่ไม่เป็นศูนย์[เชิงอรรถ 6]
 รูปแบบของอันตรกิริยา 
อันตรกิริยาอย่างอ่อนมีอยู่สองประเภท (เรียกว่าจุดยอดหรือ vertex พหูพจน์: vertices) ประเภทแรกเรียกว่า "อันตรกิริยากระแสมีประจุ" (charged-current interaction) เนื่องจากเฟอร์มิออนที่มีอันตรกิริยาอย่างอ่อนจะสร้างกระแสที่มีประจุไฟฟ้ารวมไม่เป็นศูนย์ ประเภทที่สองเรียกว่า "อันตรกิริยากระแสเป็นกลาง" (neutral-current interaction) เนื่องจากเฟอร์มิออนที่มีอันตรกิริยาอย่างอ่อนสร้างกระแสที่มีประจุไฟฟ้ารวมเป็นศูนย์ ซึ่งอันตรกิริยาประเภทนี้เป็นสาเหตุของการเบี่ยงเบน (ที่เกิดขึ้นได้ยาก) ของนิวทริโน อันตรกิริยาทั้งสองประเภทนี้มีเกณฑ์การคัดเลือกที่แตกต่างกัน การตั้งชื่ออันตรกิริยาทั้งสองนี้มักถูกเข้าใจผิดว่าเกี่ยวข้องกับประจุไฟฟ้าของโบซอน W และ Z อย่างไรก็ตาม การตั้งชื่อนี้เกิดขึ้นก่อนแนวคิดเรื่องโบซอนตัวกลาง และชัดเจนว่า (อย่างน้อยในแง่ของชื่อ) หมายถึงประจุของกระแส (ที่เกิดจากเฟอร์มิออน) ไม่จำเป็นต้องเกี่ยวข้องกับโบซอนเสมอไป[เชิงอรรถ 7]

 อันตรกิริยากระแสมีประจุ 


ในทำนองเดียวกัน ควาร์กประเภทดาวน์ (, , or  ซึ่งมีประจุเท่ากับ ) สามารถถูกแปลงเป็นควาร์กประเภทอัพ (,  หรือ  ซึ่งมีประจุเท่ากับ ) ได้ โดยการปล่อยโบซอน W– หรือโดยการดูดซับโบซอน W+ หากว่าโดยละเอียดแล้วนั้นควาร์กประเภทดาวน์จะเกิดการซ้อนทับควอนตัม (quantum superposition) กับควาร์กประเภทอัพ กล่าวคือ มันมีโอกาสที่จะกลายเป็นควาร์กประเภทอัพชนิดใดชนิดหนึ่งจากสามชนิดก็ได้ โดยที่ความน่าจะเป็นของแต่ละกรณีถูกกำหนดโดยเมทริกซ์ CKM และในทางกลับกัน ควาร์กประเภทอัพสามารถปล่อยโบซอน W+ หรือดูดซับโบซอน W– และถูกเปลี่ยนใฟ้เป็นควาร์กประเภทดาวน์ได้ ตัวอย่างเช่น:

อนุภาคโบซอน W นั้นไม่เสถียร ซึ่งจะสลายตัวไปอย่างรวดเร็วโดยมีอายุขัยที่สั้น ตัวอย่างเช่น:

การสลายตัวของโบซอน W ที่ให้ผลผลิตแบบอื่นนั้นสามารถเกิดขึ้นได้ ซึ่งมีความเป็นไปได้ที่หลากหลาย

ในกระบวนการที่เรียกว่าการสลายตัวให้อนุภาคบีตาของนิวตรอน (ดูภาพประกอบด้านบน) ดาวน์ควาร์กภายในนิวตรอนจะปล่อยโบซอนเสมือน W– ออกมา และถูกเปลี่ยนเป็นอัพควาร์ก ส่งผลให้นิวตรอนถูกเปลี่ยนเป็นโปรตอน เนื่องจากพลังงานที่เกี่ยวข้องในกระบวนการนี้มีจำกัด (กล่าวคือ พลังงานถูกจำกัดโดยความแตกต่างของมวลระหว่างดาวน์ควาร์กและอัพควาร์ก) โบซอนเสมือน W– จึงทำได้เพียงนำพาพลังงานที่เพียงพอสำหรับการสร้างอิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนแอนตินิวทริโน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีมวลต่ำสุดในบรรดาผลผลิตที่เป็นไปได้ของการสลายตัวของมัน ในระดับควาร์กนั้นกระบวนการนี้สามารถแสดงได้เป็นสมการดังนี้:

 อันตรกิริยากระแสเป็นกลาง 

ในอันตรกิริยากระแสเป็นกลาง อนุภาคควาร์กหรือเลปตอน (เช่น อิเล็กตรอนหรือมิวออน) จะปลดปล่อยหรือดูดซับอนุภาคโบซอน Z ที่ไม่มีประจุ ตัวอย่างเช่น: 

เช่นเดียวกันกับอนุภาคโบซอน W± ตัวอนุภาค Z0 จะสลายตัวไปอย่างรวดเร็วเช่นกัน ตัวอย่างเช่น:



อันตรกิริยาชนิดนี้ต่างจากอันตรกิริยากระแสมีประจุ ซึ่งกฎการคัดสรรนั้นจะถูกจำกัดอย่างเข้มงวดโดยไครัลลิตี, ประจุไฟฟ้า และ/หรือไอโซสปินอย่างอ่อน อันตรกิริยากระแสเป็นกลางที่เกิดจากโบซอน Z0 สามารถทำให้เฟอร์มิออนใด ๆ ในแบบจำลองมาตรฐานสองตัวเกิดการหักเหได้ อันตรกิริยานี้สามารถเกิดขึ้นได้ทั้งกับอนุภาคและปฏิอนุภาค ไม่ขึ้นกับชนิดของประจุไฟฟ้า และสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งกับอนุภาคที่มีไครัลลิตีซ้าย (left-chirality) และขวา (right-chirality) แม้ว่าความแรงของปฏิสัมพันธ์จะแตกต่างกันไปก็ตาม[เชิงอรรถ 8]

เลขควอนตัมประจุอ่อน () ทำหน้าที่ในปฏิสัมพันธ์กระแสเป็นกลางกับอนุภาค Z⁰ ในลักษณะเดียวกับที่ประจุไฟฟ้า (, ไม่มีดัชนี) ทำหน้าที่ในปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า: มันเป็นตัวกำหนดส่วนเวกเตอร์ของปฏิสัมพันธ์นั้น ค่า  นั้นถูกกำหนดโดย:Dzuba, V.A.; Berengut, J.C.; Flambaum, V.V.; Roberts, B. (2012). "Revisiting parity non-conservation in cesium". Physical Review Letters. 109 (20): 203003. arXiv:1207.5864. Bibcode:2012PhRvL.109t3003D. doi:10.1103/PhysRevLett.109.203003. PMID 23215482. S2CID 27741778. 


เนื่องด้วยมุมผสมอ่อนคือ , นิพจน์ในวงเล็บคือ  , โดยที่ค่าของมันเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยตามความแตกต่างของโมเมนตัม (เรียกว่า "การวิ่ง") ระหว่างอนุภาคที่เกี่ยวข้อง ดังนั้น:

เนื่องด้วยโดยทั่วไปแล้วนั้น , และสำหรับเฟอร์มิออนทุกตัวที่เกี่ยวข้องกับอันตรกิริยาอย่างอ่อนแล้วนั้น  ประจุอ่อนของอนุภาคเลปตอนมีประจุจะมีค่าใกล้เคียงศูนย์ ดังนั้นอนุภาคเหล่านี้โดยส่วนใหญ่จึงมีอันตรกิริยากับอนุภาคโบซอน Z ผ่านการจับคู่ของแกน (axial coupling)

 ทฤษฎีแรงไฟฟ้าอ่อน 

แบบจำลองมาตรฐานในฟิสิกส์ของอนุภาคได้ให้คำอธิบายต่ออันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้าและอันตรกิริยาอย่างอ่อนไว้ว่าเป็นสองแง่มุมที่แตกต่างกันของอันตรกิริยาไฟฟ้าอ่อนที่เป็นแรงอย่างเดียวกัน ทฤษฎีนี้ได้รับการพัฒนาราวปี 1968 โดย เชลดอน กลาชาว, อับดุส ซาลาม และ สตีเวน ไวน์เบิร์ก ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1979 สำหรับผลงานของพวกเขา กลไกของฮิกส์ให้คำอธิบายเกี่ยวกับการมีอยู่ของเกจโบซอนที่มีมวลจำนวนสามตัว (W+, W–, Z0 ซึ่งเป็นอนุภาคพาหะของอันตรกิริยาอย่างอ่อน) และโฟตอน ( ซึ่งเป็นเกจโบซอนไร้มวลที่ทำหน้าที่เป็นอนุภาคพาหะของอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้า)

จากทฤษฎีแรงไฟฟ้าอ่อน ในจุดที่มีพลังงานสูงมากนั้นจักรวาลมีองค์ประกอบของสนามฮิกส์สี่ตัว ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์ผ่านสเกลาร์โบซอนไร้มวลสี่ตัวที่ก่อตัวเป็นคู่ของสนามฮิกส์เชิงซ้อน ในทำนองเดียวกัน มีเวกเตอร์โบซอนของแรงไฟฟ้าอ่อนที่ไร้มวลสี่ตัว ซึ่งแต่ละตัวมีลักษณะคล้ายโฟตอน อย่างไรก็ตาม ในจุดที่มีพลังงานต่ำ ความสมมาตรเกจนี้จะถูกทำลายเองโดยธรรมชาติ (spontaneously broken) ไปสู่ความสมมาตร U(1) ของแม่เหล็กไฟฟ้า เนื่องจากหนึ่งในสนามฮิกส์ได้รับค่าคาดหมายสุญญากาศ (vacuum expectation value) หากว่าตามสามัญสำนึกแล้วนั้นการทำลายสมมาตรนี้ได้ถูกคาดการณ์ว่าจะก่อให้เกิดโบซอนไร้มวลสามตัว แต่แทนที่จะเป็นเช่นนั้น โบซอนฮิกส์สามตัวที่เกิดขึ้นกลับถูกผนวกเข้ากับโบซอนของแรงอ่อนจำนวนสามตัว ซึ่งส่งผลให้โบซอนเหล่านี้มีมวลผ่านกลไกฮิกส์ โบซอนเชิงประกอบสามตัวนี้ได้แก่ W+, W– และ Z0 ซึ่งสามารถสังเกตได้จริงในการมีอันตรกิริยาแบบอ่อน ส่วนเกจโบซอนของแรงไฟฟ้าอ่อนตัวที่สี่คือโฟตอน () ของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งไม่ทำปฏิสัมพันธ์กับสนามฮิกส์ใด ๆ จึงยังคงเป็นอนุภาคไร้มวล

ทฤษฎีนี้ได้สร้างคำทำนายมากมายขึ้นมา ซึ่งรวมถึงคำทำนายเกี่ยวกับมวลของโบซอน W และ Z ได้ก่อนการถูกตรวจพบและถูกค้นพบในปี 1983

ในวันที่ 4 กรกฎาคม ค.ศ. 2012 คณะนักวิจัยจากการทดลอง CMS และ ATLAS ที่เครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี (Large Hadron Collider) ได้ประกาศโดยแยกกันว่าพวกเขาได้ยืนยันการค้นพบอย่างเป็นทางการของโบซอนที่ไม่เคยรู้จักมาก่อน ซึ่งมีมวลอยู่ในช่วง 125–127 GeV/c² โดยพฤติกรรมของอนุภาคนี้จนถึงขณะนี้นั้น "สอดคล้องกับ" ฮิกส์โบซอน อย่างไรก็ตาม ในขณะนั้นได้มีการย้ำเตือนอย่างระมัดระวังว่าจำเป็นต้องมีข้อมูลและการวิเคราะห์เพิ่มเติม ก่อนที่จะสามารถระบุได้อย่างแน่ชัดว่าโบซอนใหม่นี้เป็นฮิกส์โบซอนประเภทใดหรือไม่ ต่อมา เมื่อวันที่ 14 มีนาคม ค.ศ. 2013 การดำรงอยู่ของฮิกส์โบซอนจึงได้รับการยืนยันในเบื้องต้น

ในกรณีสมมุติที่ระดับของการทำลายสมมาตรแรงไฟฟ้าอ่อนถูกลดลง การมีอันตรกิริยาของ SU(2) ที่ยังไม่ถูกทำลายจะกลายเป็นอันตรกิริยาที่กักขังในที่สุด แบบจำลองทางเลือกที่ SU(2) ได้กลายเป็นอันตรกิริยาที่กักขังในระดับที่สูงกว่านั้นก็ได้แสดงให้เห็นพฤติกรรมที่คล้ายคลึงกับแบบจำลองมาตรฐานในช่วงพลังงานต่ำ แต่มีความแตกต่างอย่างมากที่พลังงานสูงกว่าจุดที่สมมาตรถูกทำลาย

 การฝ่าฝืนสมมาตร 

แม้ว่าอันตรกิริยาอย่างอ่อนจะเคยได้รับการอธิบายโดยทฤษฎีของแฟร์มี แต่การค้นพบการละเมิดพาริตีและทฤษฎีการปรับมาตรฐานใหม่ (renormalization theory) ชี้ให้เห็นว่าจำเป็นต้องมีแนวทางใหม่ ในปี ค.ศ. 1957 โรเบิร์ต มาร์แชก (Robert Marshak) และจอร์จ สุทรรศน์ (George sudarshan) และต่อมาริชาร์ด ไฟน์แมน และเมอร์รี เกล-มานน์ (Murry Gell-mann) ได้เสนอลากรานเจียนแบบ V − A (เวกเตอร์ลบเวกเตอร์แกน หรือแบบถนัดซ้าย) สำหรับอันตรกิริยาอย่างอ่อน ซึ่งตามทฤษฎีนี้นั้นแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนมีผลเฉพาะกับอนุภาคถนัดซ้ายและปฏิอนุภาคที่ถนัดขวา เนื่องจากภาพสะท้อนในกระจกของอนุภาคถนัดซ้ายจะกลายมาเป็นอนุภาคถนัดขวา ทฤษฎีนี้จึงอธิบายการละเมิดพาริตีในระดับสูงสุดได้ อย่างไรก็ตาม ทฤษฎี V − A ถูกพัฒนาขึ้นก่อนที่จะมีการค้นพบโบซอน Z ดังนั้นจึงไม่ได้รวมขอบเขตข้อมูลอนุภาคถนัดขวาที่เกี่ยวข้องกับอันตรกิริยากระแสเป็นกลาง

อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีนี้ยังคงอนุรักษ์ความสมมาตรเชิงประกอบ CP ไว้ได้ โดยที่ CP นั้นเป็นการรวมกันของพาริตี (P) ซึ่งเป็นการสลับทิศทางซ้ายและขวา กับการสลับประจุ (C) ซึ่งเป็นการเปลี่ยนอนุภาคให้เป็นปฏิอนุภาค นักฟิสิกส์ต้องประหลาดใจอีกครั้งเมื่อในปี ค.ศ. 1964 เจมส์ โครนิน (James Cronin) และวาล ฟิตช์ (Val Fitch) ได้แสดงหลักฐานที่ชัดเจนจากการสลายตัวของอนุภาคเคออนว่าความสมมาตร CP สามารถถูกทำลายได้เช่นกัน การค้นพบนี้ทำให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1980 ต่อมาในปี ค.ศ. 1973 มาโคโตะ โคบายาชิ (Makoto Kobayashi) และโทะชิฮิเดะ มะสึกะวะ (Toshihide Maskawa) ได้แสดงให้เห็นว่าการละเมิด CP ในอันตรกิริยาอย่างอ่อนนั้นต้องการอนุภาคมากกว่าสองรุ่น ซึ่งนำไปสู่การทำนายการมีอยู่ของอนุภาครุ่นที่สามที่ยังไม่เป็นที่รู้จักในขณะนั้น การค้นพบนี้ทำให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 2008 (แบ่งรางวัลเป็นครึ่งหนึ่ง)

การละเมิด CP นั้นต่างจากการละเมิดพาริตี กล่าวคือการละเมิด CP เกิดขึ้นได้เฉพาะในสถานการณ์ที่พบได้ยาก แม้ว่าการละเมิด CP จะเกิดขึ้นน้อยมากภายใต้สภาวะปัจจุบัน แต่เป็นที่เชื่อกันอย่างกว้างขวางว่าปรากฏการณ์นี้เป็นสาเหตุหลักที่ทำให้มีสสารมากกว่าปฏิสสารในเอกภพ ซึ่งเป็นหนึ่งในสามเงื่อนไขของอันเดรย์ ซาคารอฟ สำหรับกระบวนการกำเนิดแบริออน (baryogenesis)Langacker, Paul (2001) [1989]. "CP violation and cosmology". In Jarlskog, Cecilia (ed.). CP Violation. London, River Edge: World Scientific Publishing Co. p. 552. ISBN 9789971505615 – via Google Books.

 อ่านเพิ่มเติม 

 เอกภพไร้แรงอ่อน (weakless universe) – สมมุติฐานที่ว่าด้วยแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนไม่จำเป็นต่อการดำรงอยู่ของชีวิตตามหลักมานุษยวิทยา
 ความโน้มถ่วง
 อันตรกิริยาอย่างเข้ม
 ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า

 เชิงอรรถ 

 [เชิงอรรถ 1] เนื่องจากความสามารถพิเศษของอันตรกิริยาอย่างอ่อนในการเปลี่ยนแปลงเฟลเวอร์ของอนุภาค การวิเคราะห์อันตรกิริยานี้จึงถูกเรียกในบางครั้งว่าควอนตัมเฟลเวอร์ไดนามิกส์ (quantum flavour dynamics - QFD) ซึ่งเป็นการตั้งชื่อโดยอุปมาอุปไมยกับควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (quantum chromodynamics, QCD) ที่ใช้สำหรับแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม
 [เชิงอรรถ 2] เปรียบเทียบกับรัศมีประจุของโปรตอนที่ 8.3×10−16 เมตร ~ 0.83 เฟมโตเมตร
 [เชิงอรรถ 3] อย่างไรก็ตาม ไพออนเป็นกลาง () สลายตัวผ่านอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้า ในขณะที่เมซอนอื่นหลายชนิด (หากเลขควอนตัมของพวกมันอนุญาต) มักจะสลายตัวผ่าน อันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างเข้มเป็นหลัก
 [เชิงอรรถ 4] ข้อยกเว้นที่ชัดเจนและอาจเป็นกรณีเดียวของกฎนี้คือการสลายตัวของท็อปควาร์ก (top quark) ซึ่งมีมวลมากกว่าผลรวมของมวลบ็อตทอมควาร์ก (bottom quark) และโบซอน W+ ที่เป็นผลผลิตจากการสลายตัว ดังนั้นจึงไม่มีข้อจำกัดด้านพลังงานที่ทำให้การเปลี่ยนสถานะของมันช้าลง ความเร็วในการสลายตัวของท็อปควาร์กผ่านแรงอ่อนนั้นสูงมาก จนกระทั่งแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (หรือ "แรงสี") ไม่มีเวลามากพอที่จะจับมันรวมกับควาร์กตัวอื่นได้ ทำให้มันเป็นควาร์กตัวเดียวที่ไม่สามารถสร้างฮาดรอน (hadron) ได้
[เชิงอรรถ 5] มีเพียงอันตรกิริยาที่กระทำต่อฮิกส์โบซอนเท่านั้นที่จะละเมิดการอนุรักษ์ไอโซสปินอย่างอ่อน และดูเหมือนจะละเมิดโดยสมบูรณ์ ดังนี้: 

 [เชิงอรรถ 6] เฟอร์มิออนในสมมติฐานบางชนิด เช่น นิวทริโนสเตอไรล์ (sterile neutrinos) จะมีค่าไฮเปอร์ชาร์จอย่างอ่อนเป็นศูนย์ – แต่โดยแท้จริงแล้ว ไม่มีประจุเกจของแรงพื้นฐานที่รู้จักใด ๆ เลยที่เป็นศูนย์ การมีอยู่ของอนุภาคเหล่านี้ยังคงเป็นประเด็นในการวิจัยอย่างต่อเนื่อง เพื่อค้นหาว่ามีอนุภาคดังกล่าวอยู่จริงหรือไม่
 [เชิงอรรถ 7] การแลกเปลี่ยนโบซอน W เสมือนสามารถพิจารณาได้ในลักษณะเดียวกัน เช่น การปล่อย W⁺ หรือการดูดกลืน W⁻ กล่าวคือ หากพิจารณาแกนเวลาในแนวตั้ง โบซอน W⁺ สามารถมองว่าเคลื่อนที่จากซ้ายไปขวา หรือในทางกลับกัน โบซอน W⁻ สามารถมองว่าเคลื่อนที่จากขวาไปซ้ายได้เช่นเดียวกัน
 [เชิงอรรถ 8] เฟอร์มิออนเพียงชนิดเดียวที่โบซอน Z0 ไม่สามารถมีปฏิสัมพันธ์ด้วยได้เลยคือ นิวทริโนสเตอไรล์อันเป็นอนุภาคในสมมติฐาน ซึ่งได้แก่ ปฏินิวทริโนที่มีไครัลซ้าย (left-chiral anti-neutrinos) และนิวทริโนที่มีไครัลขวา (right-chiral neutrinos) นิวทริโนเหล่านี้ถูกเรียกว่า "สเตอไรล์" หรือ "เป็นหมัน" (sterile) เนื่องจากพวกมันไม่สามารถมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคใด ๆ ในแบบจำลองมาตรฐานได้ ยกเว้นอาจเป็นไปได้กับฮิกส์โบซอน อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน นิวทริโนประเภทนี้ยังคงเป็นเพียงสมมติฐาน และ ณ เดือนตุลาคม ค.ศ. 2021 ยังไม่มีหลักฐานยืนยันการมีอยู่จริงของอนุภาคเหล่านี้
"MicroBooNE ได้ทำการสำรวจอย่างครอบคลุมผ่านอันตรกิริยาหลายประเภท และด้วยเทคนิคการวิเคราะห์และการสร้างภาพใหม่ที่หลากหลาย" บอนนี เฟลมิง (Bonnie Fleming) จากมหาวิทยาลัยเยล (Yale) ซึ่งเป็นผู้ร่วมโฆษกของโครงการกล่าว "ทุกวิธีการให้ผลลัพธ์ที่เหมือนกัน ซึ่งทำให้เรามั่นใจอย่างมากในข้อสรุปของเราว่าเราไม่พบสัญญาณใด ๆ ที่บ่งชี้ถึงการมีอยู่ของนิวทริโนสเตอไรล์"

"นิวตริโนสเตอไรล์ที่มีขนาดพลังงานในระดับ eV ดูเหมือนไม่มีแรงจูงใจทางการทดลองอีกต่อไป และไม่เคยช่วยแก้ปัญหาใด ๆ ที่ค้างคาอยู่ในแบบจำลองมาตรฐาน" มิคาอิล ชาโปชนิกอฟ (Mikhail Shaposhnikov) นักทฤษฎีจาก EPFL กล่าว "แต่นิวทริโนสเตอไรล์ที่มีขนาดพลังงานตั้งแต่ GeV จนถึง keV ซึ่งเป็นที่รู้จักกันในชื่อเฟอร์มิออนมาโจรานา (Majorana fermion) นั้นมีแรงจูงใจทางทฤษฎีที่ดี และไม่ขัดแย้งกับการทดลองใด ๆ ที่มีอยู่"

 อ้างอิง 

หมวดหมู่:ฟิสิกส์นิวเคลียร์
หมวดหมู่:หลักการสำคัญของฟิสิกส์