弱相互作用

**弱相互作用**，亦稱**弱作用力**，**弱核力**等，四種基本相互作用之一，其餘三種為強相互作用、電磁力同萬有引力。次原子粒子嘅放射性衰變同恆星入面嘅氫聚變都係由弱相互作用引起。佢相關理論，叫**量子味動力學**（**quantum flavourdynamics**，簡稱**QFD**），皆因佢係唯一相互作用，搞到夸克變味（flavour）。處於高能量下，弱相互作用同電磁力會合併理論為電弱相互作用，亦即弱相互作用，只不過電弱相互作用其中一種面貌。所以較少用上量子味動力學個名。弱相互作用，係唯一種，打破到宇稱（ parity-symmetry，P symmetry）及電荷宇稱（charge-parity symmetry，CP symmetry）守恆。作用之中，佢有W子同Z子帶動力，有相當質量，同其他相互相作帶動粒子好唔同。皆因佢同希格子有反應。

弱之所叫弱，係相對強相互作用而言。佢有效範圍好細，十萬萬萬萬分之一米到萬萬萬萬分之一米之內，近乎貼近先起到作用。百萬萬萬萬分之一米時，強度佢同電磁力參唔多，但越遠就跌得越快，去到十萬萬萬萬分之三米時，就弱到電磁力萬分之一。

弱相互作用同其他幾種睇落好唔同，好少會講吸引同排斥，只會講佢核乙種射線衰變中嘅作用。另外，佢同中微子有好大關係，中微子只受萬有引力及弱相互作用影響。

宇宙間常見嘅中子、質子，都係由夸克組成。兩者中嘅夸克，全屬上下兩種味。中子同質子間轉換，都係上下轉味，由弱相互作用促成。若果無弱相互作用，就好難有元素轉換，亦無核融合同核衰變。

## 背景

標準模型 嘅 粒子物理學 提供咗一個統一嘅框架，去理解電磁力、弱作用力同埋強作用力。當兩粒粒子（通常，但係唔一定係 半整數 自旋 費米子）交換整數自旋、帶力嘅 玻色子 嗰陣，就會發生相互作用。喺呢啲交換入面涉及到嘅費米子可以係基本粒子（例如 電子 或者 夸克）或者複合粒子（例如 質子 或者 中子），雖然喺最深層次，所有弱相互作用最終都係喺 基本粒子 之間發生嘅。

喺弱相互作用入面，費米子可以交換三種類型嘅力載體，即係 , , 同埋  玻色子。呢啲玻色子嘅 質量 遠遠大過質子或者中子嘅質量，呢點同弱力嘅短程性質係一致嘅。 事實上，之所以叫做「弱」力，係因為佢喺任何指定距離上嘅 場強 通常比電磁力細幾個數量級，而電磁力本身又比強核力細幾個數量級。

弱相互作用係唯一一種破壞 宇稱對稱性 嘅基本相互作用，同樣道理，但係更加罕見嘅係，佢亦都係唯一一種破壞 電荷宇稱對稱性 嘅相互作用。

夸克，佢哋組成咗好似中子同質子呢啲複合粒子，有六種「味」 上夸克、下夸克、魅夸克、奇異夸克、頂夸克同埋底夸克，呢啲「味」畀咗嗰啲複合粒子佢哋嘅特性。弱相互作用嘅獨特之處在於佢容許夸克交換佢哋嘅味做另一種味。呢啲特性嘅交換係由力載體玻色子嚟介導嘅。例如，喺 β 衰變 期間，中子入面嘅一個下夸克會變成一個上夸克，從而將中子變成質子，並且導致發射一個電子同埋一個反電子微中子。

弱相互作用喺 恆星入面嘅氫聚變成氦 嘅過程入面好重要。因為佢可以將一個質子（氫）轉變成中子，嚟形成氘，而氘對於核聚變繼續形成氦嚟講係好重要嘅。中子嘅積累促進咗恆星入面重原子核嘅積累。

大多數費米子都會隨住時間推移，通過弱相互作用衰變。呢種衰變令 放射性碳定年法 成為可能，因為 碳-14 會通過弱相互作用衰變成 氮-14。佢亦都可以產生 放射發光，普遍用於 氚發光，同埋相關嘅 貝塔伏特學 領域（但係 *唔係* 好似 鐳發光）。

電弱力 被認為喺 夸克時期 嘅 早期宇宙 期間分離成電磁力同埋弱力。

## 歷史
喺1933年，恩里科·費米 提出咗第一個弱相互作用理論，叫做 費米相互作用。佢認為 β 衰變 可以用一個四 費米子 相互作用嚟解釋，涉及一個冇作用範圍嘅接觸力。

喺1950年代中期，楊振寧 同埋 李政道 首先提出，弱相互作用入面粒子自旋嘅手徵性可能違反 守恆定律 或者對稱性。喺1957年，吳健雄 同埋佢嘅合作者確認咗 對稱性破壞。

喺1960年代，謝爾登·格拉肖、阿卜杜勒·薩拉姆 同埋 史蒂文·溫伯格 通過展示電磁力同埋弱相互作用係單一力嘅兩個方面，統一咗電磁力同埋弱相互作用，而家叫做電弱力。

同埋  玻色子嘅存在 直到1983年先至被直接證實。

## 特性

帶電荷嘅弱相互作用喺好多方面都好獨特：

佢係唯一一種可以改變夸克同埋輕子嘅 味 嘅相互作用（即係，將一種夸克變成另一種）。

佢係唯一一種違反 '''P'''，或者宇稱對稱性 嘅相互作用。佢亦都係唯一一種違反 電荷宇稱 ('''CP''') 對稱性 嘅相互作用。

帶電荷同埋唔帶電荷嘅相互作用都係由具有顯著質量嘅 力載體粒子 介導（傳播）嘅，呢個係一個唔尋常嘅特徵，喺 標準模型 入面由 希格斯機制 解釋。

由於佢哋嘅大質量（大約 90 GeV/*c*2），呢啲叫做  同埋  玻色子嘅載體粒子都好短命，壽命唔夠  秒。 弱相互作用嘅 耦合常數（相互作用發生頻率嘅指標）喺  同埋  之間，相比之下，電磁耦合常數 大約係 ，強相互作用 耦合常數大約係 1； 因此，弱相互作用喺強度方面係「弱」嘅。 弱相互作用有一個非常短嘅有效範圍（大約  至  米（0.01 至 0.1 fm））。 喺大約  米（0.001 fm）嘅距離，弱相互作用嘅強度同電磁力嘅強度差唔多，但係隨住距離增加，佢開始 指數式 噉下降。如果將距離放大多一個半數量級，喺大約 3 米嘅距離，弱相互作用就會弱 10,000 倍。

弱相互作用影響 標準模型 嘅所有 費米子，仲有 希格斯玻色子；微中子 只係通過重力同埋弱相互作用嚟相互作用。弱相互作用唔會產生 束縛態，亦都唔涉及 結合能，重力喺 天文尺度 上會做到，電磁力喺分子同埋原子層面會做到，而強核力就只係喺亞原子層面，喺 原子核 入面先會做到。

佢最明顯嘅效應係由於佢嘅第一個獨特特徵：帶電荷嘅弱相互作用會引起 味變。例如，中子 比 質子（佢嘅搭檔 核子）重，可以通過改變佢兩個 *下* 夸克其中一個嘅 味 做 *上* 夸克，衰變成質子。強相互作用 同埋 電磁力 都唔容許味變，所以呢個過程只可以通過 **弱衰變** 進行；如果冇弱衰變，好似奇異性同埋魅（分別同奇異夸克同埋魅夸克相關）呢啲夸克性質亦都會喺所有相互作用入面守恆。

所有 介子 都因為弱衰變而唔穩定。
喺叫做 β 衰變 嘅過程入面，中子 入面嘅一個 *下* 夸克可以通過發射一個 虛  玻色子嚟變成一個 *上* 夸克，然後佢會衰變成一個 電子 同埋一個反電子 微中子。 另一個例子係 電子捕獲，放射性衰變 嘅一種常見變體，喺呢種變體入面，原子入面嘅一個質子同埋一個電子相互作用，並且被改變做一個中子（一個上夸克被改變做一個下夸克），並且發射一個電子微中子。

由於 W 玻色子嘅大質量，取決於弱相互作用嘅粒子轉變或者衰變（例如，味變）通常比只取決於強作用力或者電磁力嘅轉變或者衰變慢好多。
例如，一個中性 π 介子 通過電磁方式衰變，所以壽命只有大約  秒。相比之下，一個帶電 π 介子只可以通過弱相互作用衰變，所以壽命大約係  秒，或者比中性 π 介子長一億倍。  一個特別極端嘅例子係自由中子嘅弱力衰變，佢需要大約 15 分鐘。

### 弱同位旋同埋弱超電荷

所有粒子都有一種叫做「弱同位旋」（符號 ）嘅性質，佢充當 加法量子數，限制咗粒子點樣同弱力嘅  相互作用。弱同位旋喺弱相互作用入面同  嘅作用，就好似 電荷 喺 電磁力 入面嘅作用一樣，同埋 色荷 喺 強相互作用 入面嘅作用一樣；另一個唔同嘅數字，但係名差唔多，叫做「弱電荷」，下面會討論，用於同 . 嘅相互作用。所有左手性 費米子 嘅弱同位旋值都係  或者 ；所有右手性費米子嘅同位旋都係 0。例如，上夸克嘅 ，而下夸克嘅 . 夸克永遠唔會通過弱相互作用衰變成同一個  嘅夸克： 為  嘅夸克只會衰變成  為  嘅夸克，反之亦然。

喺任何畀定嘅強相互作用、電磁相互作用或者弱相互作用入面，弱同位旋都係 守恆 嘅： 進入相互作用嘅粒子嘅弱同位旋數嘅總和等於離開嗰次相互作用嘅粒子嘅弱同位旋數嘅總和。例如，一個（左手性） 佢嘅弱同位旋係 +1，通常會衰變成一個 （佢嘅 ）同埋一個 （作為右手性反粒子，）。

為咗發展電弱理論，發明咗另一個性質，弱超電荷，定義為：
: Y_\text{W} = 2,(Q - T_3),
其中  係具有電荷 （以 基本電荷 單位計）同埋弱同位旋  嘅粒子嘅弱超電荷。弱超電荷 係電弱 規範群 嘅 U(1) 組件嘅生成元；雖然一啲粒子嘅 弱同位旋 係零，但係所有已知嘅 自旋- 粒子 都有非零嘅弱超電荷。

## 相互作用類型
有兩種類型嘅弱相互作用（叫做「頂點」）。第一種類型叫做「帶電流相互作用」，因為「弱相互作用」費米子形成一個總「電荷」唔係零嘅 電流。第二種類型叫做「中性流相互作用」，因為「弱相互作用」費米子形成一個總「電荷」係零嘅 電流。佢負責 微中子 嘅（罕見）偏轉。呢兩種類型嘅相互作用遵循唔同嘅 選擇規則。呢個命名約定經常被誤解為標記 同埋  玻色子 嘅電荷，但係呢個命名約定早於介質玻色子嘅概念，並且清楚噉（至少喺名稱上）標記咗電流（由費米子形成）嘅電荷，而唔一定係玻色子嘅電荷。

### 帶電流相互作用

喺一種帶電流相互作用入面，一個帶電 輕子（好似 電子 或者 緲子，電荷為 −1）可以吸收一個 玻色子（一個電荷為 +1 嘅粒子），從而被轉換成相應嘅 微中子（電荷為 0），其中微中子嘅類型（「味」）（電子 、緲子  或者陶子 ) 同相互作用入面嘅輕子類型相同，例如：
:  \mu^- + \mathrm{W}^+ \to \nu_\mu 
類似噉，一個下類型 夸克（、 或者 ，電荷為 ）可以通過發射一個  玻色子或者通過吸收一個  玻色子嚟轉換成一個上類型夸克（、 或者 ，電荷為 ）。更精確噉講，下類型夸克會變成上類型夸克嘅 量子疊加：即係話，佢有可能變成三種上類型夸克入面嘅任何一種，可能性由 CKM 矩陣 表格畀出。相反，一個上類型夸克可以發射一個  玻色子，或者吸收一個  玻色子，從而被轉換成一個下類型夸克，例如：
: \begin{align}
\mathrm{d} &\to \mathrm{u} + \mathrm{W}^- \
\mathrm{d} + \mathrm{W}^+ &\to \mathrm{u} \
\mathrm{c} &\to \mathrm{s} + \mathrm{W}^+ \
\mathrm{c} + \mathrm{W}^- &\to \mathrm{s}
\end{align}

W 玻色子係唔穩定嘅，所以會快速衰變，壽命非常短。例如：
: \begin{align}
\mathrm{W}^- &\to \mathrm{e}^- + \bar\nu_\mathrm{e} ~ \
\mathrm{W}^+ &\to \mathrm{e}^+ + \nu_\mathrm{e} ~
\end{align}

W 玻色子衰變成其他產物都可能會發生，可能性唔同。

喺中子嘅所謂 β 衰變 入面（睇上面張圖），中子入面嘅一個下夸克發射一個 虛  玻色子，從而被轉換成一個上夸克，將中子轉換成質子。由於過程中涉及嘅能量有限（即係，下夸克同埋上夸克之間嘅質量差），虛  玻色子只可以攜帶足夠嘅能量嚟產生一個電子同埋一個反電子微中子——佢預期衰變產物入面質量最低嘅兩個。
喺夸克層面，呢個過程可以表示為：
:  \mathrm{d} \to \mathrm{u} + \mathrm{e}^- + \bar\nu_\mathrm{e} ~

### 中性流相互作用

喺 中性流 相互作用入面，一個 夸克 或者一個 輕子（例如，一個 電子 或者一個 緲子）發射或者吸收一個中性 玻色子。例如：
:  \mathrm{e}^- \to \mathrm{e}^- + \mathrm{Z}^0

好似  玻色子噉， 玻色子都衰變得好快， 例如：
:  \mathrm{Z}^0 \to \mathrm{b} + \bar \mathrm{b} 

同帶電流相互作用唔同，後者嘅選擇規則受到手徵性、電荷、 弱同位旋嘅嚴格限制，中性流  相互作用可以令標準模型入面嘅任何兩個費米子偏轉：粒子或者反粒子都可以，帶任何電荷都得，而且左手性同埋右手性都得，雖然相互作用嘅強度唔同。

量子數「弱電荷」（) 喺同  嘅中性電流相互作用入面，作用就好似電荷（，冇下標）喺 電磁相互作用 入面嘅作用一樣：佢量化咗相互作用嘅向量部分。佢嘅值由下式畀出：
:  Q_\mathsf{w} = 2 , T_3 - 4 , Q , \sin^2\theta_\mathsf{w} = 2 , T_3 - Q + (1 - 4 , \sin^2\theta_\mathsf{w}) , Q ~.
由於 弱混合角 ，括號入面嘅表達式 ，佢嘅值隨住粒子之間嘅動量差（叫做「*running*」）輕微變化。因此：
: \ Q_\mathsf{w} \approx 2 \ T_3 - Q = \sgn(Q)\ \big(1 - |Q|\big)\ ,
因為按照慣例 ，而且對於弱相互作用入面涉及到嘅所有費米子 . 帶電荷輕子嘅弱電荷就接近於零，所以佢哋主要通過軸向耦合同  玻色子相互作用。

## 電弱理論

粒子物理學嘅 標準模型 將 電磁相互作用 同埋弱相互作用描述為單一電弱相互作用嘅兩個唔同方面。呢個理論喺1968年左右由 謝爾登·格拉肖、阿卜杜勒·薩拉姆 同埋 史蒂文·溫伯格 發展出嚟，佢哋因為佢哋嘅工作而被授予 1979 年諾貝爾物理學獎。 希格斯機制 為 三個大質量規範玻色子（、、，弱相互作用嘅三個載體）嘅存在提供咗解釋，仲有 光子（，攜帶電磁相互作用嘅無質量規範玻色子）。

根據電弱理論，喺非常高嘅能量下，宇宙有四個 希格斯場 組件，佢哋嘅相互作用由四個無質量標量 玻色子 攜帶，形成一個複數標量希格斯場雙重態。同樣，有四個無質量電弱向量玻色子，每個都類似於 光子。但係，喺低能量下，呢個規範對稱性 自發噉被打破，變成電磁力嘅  對稱性，因為其中一個希格斯場獲得咗 真空期望值。天真噉睇，對稱性破缺應該會產生三個無質量 玻色子，但係相反，嗰啲「額外」嘅三個希格斯玻色子被納入咗三個弱玻色子入面，然後佢哋通過 希格斯機制 獲得質量。呢三個複合玻色子就係 、 同埋  玻色子，佢哋係實際上喺弱相互作用入面觀察到嘅。第四個電弱規範玻色子係電磁力嘅光子（），佢唔同任何希格斯場耦合，所以保持無質量。

呢個理論已經做出咗好多預測，包括喺  同埋  玻色子喺 1983 年被發現同埋探測到之前，對佢哋質量嘅預測。

喺 2012 年 7 月 4 號，大型強子對撞機 嘅 CMS 同埋 ATLAS 實驗團隊獨立宣布，佢哋已經確認正式發現咗一個先前未知嘅玻色子，佢嘅質量喺 125 到  之間，佢到目前為止嘅行為「同」希格斯玻色子「一致」，同時謹慎噉補充，喺將新玻色子正面噉識別為某種類型嘅希格斯玻色子之前，需要更多嘅數據同埋分析。到咗 2013 年 3 月 14 號，一個希格斯玻色子被初步確認存在。

喺一個推測性嘅情況下，如果 電弱對稱性破缺 尺度 被降低，未破缺嘅  相互作用最終會變成 禁閉。 喺嗰個尺度之上變成禁閉嘅替代模型喺較低能量下睇落同 標準模型 喺定量上相似，但係喺對稱性破缺之上就截然唔同。

## 對稱性破壞

自然定律 長期以來被認為喺鏡像 反射 下保持不變。通過鏡子觀睇嘅實驗結果預期會同單獨構建嘅、鏡像反射嘅實驗裝置嘅副本通過鏡子觀睇嘅結果相同。呢個所謂嘅 宇稱 守恆 定律已知被經典 重力、電磁力 同埋 強相互作用 遵守；佢被認為係一個普遍定律。 但係，喺1950年代中期，楊振寧 同埋 李政道 提出弱相互作用可能違反呢個定律。吳健雄 同埋合作者喺 1957 年發現弱相互作用違反宇稱，令楊同李攞到 1957 年諾貝爾物理學獎。

雖然弱相互作用曾經由 費米理論 描述，但係宇稱破壞同埋 重整化 理論嘅發現表明需要一種新方法。喺 1957 年，羅伯特·馬沙克 同埋 喬治·蘇達山，以及稍後嘅 理查德·費曼 同埋 默里·蓋爾曼，提出咗一個 **V − A**（向量 減 軸向量 或者左手性）拉格朗日量 用於弱相互作用。喺呢個理論入面，弱相互作用只作用於左手性粒子（同埋右手性反粒子）。由於左手性粒子嘅鏡像反射係右手性，所以呢個解釋咗宇稱嘅最大程度破壞。**V − A** 理論喺 Z 玻色子被發現之前發展出嚟，所以佢冇包括喺中性電流相互作用入面進入嘅右手性場。

但係，呢個理論容許一個複合對稱性 **[[CP 破壞|CP]]** 被守恆。**CP** 將宇稱 **P**（從左切換到右）同埋電荷共軛 **C**（將粒子同埋反粒子切換）結合埋一齊。物理學家再次感到驚訝，喺 1964 年，詹姆斯·克羅寧 同埋 瓦爾·菲奇 喺 卡介子 衰變入面提供咗明確嘅證據，證明 *CP* 對稱性亦都可能被破壞，令佢哋攞到 1980 年 諾貝爾物理學獎。 喺 1973 年，小林誠 同埋 益川敏英 表明，弱相互作用入面嘅 *CP* 破壞需要超過兩代粒子， 有效噉預測咗當時未知嘅第三代嘅存在。呢個發現令佢哋攞到 2008 年諾貝爾物理學獎嘅一半。

同宇稱破壞唔同，*CP* 破壞只喺罕見嘅情況下發生。儘管佢喺目前條件下嘅發生次數有限，但係普遍認為佢係宇宙入面物質比 反物質 多得多嘅原因，因此構成咗 安德烈·薩哈羅夫 嘅 重子生成 三個條件之一。

## 睇埋

冇弱相互作用嘅宇宙 – 弱相互作用唔係 人擇上必要 嘅假設

重力

強相互作用

電磁力

## 註釋

## 參考文獻

## 來源
### 技術性

### 畀一般讀者睇嘅

## 出面嘅連結

Harry Cheung, The Weak Force @Fermilab

Fundamental Forces @Hyperphysics, Georgia State University.

Brian Koberlein, What is the weak force?