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) ซึ่งเป็นกรอบทฤษฎีที่ครอบคลุมอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้าและอันตรกิริยาอย่างอ่อนเข้าด้วยกัน
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
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. 1983(หน้าที่ 8)
คุณสมบัติ.
อันตรกิริยาอย่างอ่อนที่มีประจุไฟฟ้ามีลักษณะเฉพาะหลายประการ ดังนี้:
เนื่องจากการที่มันมีมวลมาก (ประมาณ 90 GeV/c²) โบซอนตัวนำพาแรงที่มีชื่อเรียกว่า W และ Z จึงมีอายุสั้นมาก โดยมีช่วงอายุการสลายตัวต่ำกว่า 10-24 วินาที อันตรกิริยาอย่างอ่อนมีค่าคงที่การเชื่อมต่อ (coupling constant) (ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ความถี่ของการเกิดอันตรกิริยา) อยู่ในช่วง 10-7 ถึง 10-6 เมื่อเทียบกับค่าคงที่การเชื่อมต่อของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประมาณ 10-2 และแรงอย่างเข้มที่ประมาณ 1 ทำให้แรงอย่างอ่อนนี้มีความ "อ่อน" ในแง่ของความเข้มที่ต่ำกว่าแรงพื้นฐานอื่น 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 และแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มที่มีผลเฉพาะในระดับอนุภาคย่อยภายในนิวเคลียส
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.
อนุภาคทุกชนิดมีคุณสมบัติที่เรียกว่าไอโซสปินอย่างอ่อน (weak isospin) ซึ่งมีสัญลักษณ์เป็น T3 โดยไอโซสปินนี้เป็นจำนวนควอนตัมเชิงบวกที่จำกัดวิธีที่อนุภาคสามารถทำปฏิสัมพันธ์กับโบซอน W± ของอันตรกิริยาอย่างอ่อน ไอโซสปินอย่างอ่อนทำหน้าที่ในอันตรกิริยาอย่างอ่อนกับอนุภาค W± เช่นเดียวกับที่ประจุไฟฟ้าทำหน้าที่ในแรงแม่เหล็กไฟฟ้า และประจุสีในอันตรกิริยาอย่างเข้ม นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติที่เรียกว่าประจุอ่อน (weak charge) อันจะกล่าวต่อไปด้านล่าง ซึ่งใช้สำหรับการปฏิสัมพันธ์กับอนุภาค Z0 เฟอร์มิออนที่ถนัดซ้ายทั้งหมดมีค่าไอโซสปินแบบอ่อนเท่ากับ + 1/2 หรือ − 1/2 ในขณะที่เฟอร์มิออนที่มีสปินขวาทั้งหมดมีค่าไอโซสปินเท่ากับ 0 ตัวอย่างเช่น อัพควาร์กมีค่าไอโซสปินเท่ากับ + 1/2 และดาวน์ควาร์กมีค่าเท่ากับ − 1/2 ควาร์กจะไม่สลายตัวผ่านอันตรกิริยาอย่างอ่อนให้เป็นควาร์กที่มีค่า T3 เท่ากันได้ ควาร์กที่มีค่า + 1/2 จะสลายตัวเป็นควาร์กที่มีค่า − 1/2 เท่านั้น รวมถึงในทางกลับกัน
ในทุกปฏิสัมพันธ์ที่เกี่ยวข้องกับแรงอย่างเข้ม, แรงแม่เหล็กไฟฟ้า หรือแรงอย่างอ่อนนั้นค่าไอโซสปินอย่างอ่อนจะถูกอนุรักษ์ไว้[เชิงอรรถ 5] ซึ่งหมายความว่าผลรวมของค่าไอโซสปินอย่างอ่อนของอนุภาคที่เข้าสู่ปฏิสัมพันธ์นี้จะเท่ากับผลรวมของค่าไอโซสปินอย่างอ่อนของอนุภาคที่ออกจากปฏิสัมพันธ์ ตัวอย่างเช่น ไพออนมีประจุ  ซึ่งเป็นเฟอร์มิออนถนัดซ้ายและมีค่าไอโซสปินอย่างอ่อนเท่ากับ +1 มักจะสลายตัวเป็นนิวตริโนมิวออน  ซึ่งมีค่า T3 = + 1/2 และมิวออนประจุบวก  ซึ่งเป็นปฏิอนุภาคถนัดขวาและมีค่าเท่ากับ + 1/2(หน้าที่ 30)
สำหรับการพัฒนาทฤษฎีแรงไฟฟ้าอ่อนนั้นได้มีการกำหนดคุณสมบัติอีกอย่างหนึ่งขึ้นมาเรียกว่าไฮเปอร์ชาร์จอย่างอ่อน (weak hypercharge) ซึ่งนิยามดังนี้:
<math>Y_\text{W} = 2\,(Q - T_3),</math>
โดยที่ Y คือไฮเปอร์ชาร์จอย่างอ่อนของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า Q (ในหน่วยประจุพื้นฐาน) และ T3 คือไอโซสปินแบบอ่อน ไฮเปอร์ชาร์จอย่างอ่อนเป็นตัวสร้างองค์ประกอบของ U(1) ในกลุ่มเกจของแรงไฟฟ้าอ่อน ทั้งนี้ แม้ว่าอนุภาคบางชนิดจะมีค่าไอโซสปินอย่างอ่อนเท่ากับศูนย์ แต่อนุภาคที่มีค่าสปินเท่ากับ 1/2 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.
ในอันตรกิริยากระแสมีประจุประเภทหนึ่ง เลปตอนที่มีประจุไฟฟ้า (เช่น อิเล็กตรอนหรือมิวออน ซึ่งมีประจุเท่ากับ -1) สามารถดูดซับโบซอน W+ (อนุภาคที่มีประจุเท่ากับ +1) และถูกเปลี่ยนเป็นนิวทริโนที่สอดคล้องกัน (ซึ่งมีประจุเท่ากับ 0) โดยชนิด ("เฟลเวอร์") ของนิวทริโน (เช่น อิเล็กตรอนนิวทริโน ν, มิวออนนิวทริโน ν, หรือทาวนิวทริโน ν) จะเหมือนกับชนิดของเลปตอนในปฏิสัมพันธ์นั้น ตัวอย่างเช่น:
<math> \mu^- + \mathrm{W}^+ \to \nu_\mu </math>
 \mathrm{d} &\to \mathrm{u} + \mathrm{W}^- \\
 \mathrm{d} + \mathrm{W}^+ &\to \mathrm{u} \\
 \mathrm{c} &\to \mathrm{s} + \mathrm{W}^+ \\
\end{align}</math>
อนุภาคโบซอน W นั้นไม่เสถียร ซึ่งจะสลายตัวไปอย่างรวดเร็วโดยมีอายุขัยที่สั้น ตัวอย่างเช่น:
 \mathrm{W}^- &\to \mathrm{e}^- + \bar\nu_\mathrm{e} ~ \\
 \mathrm{W}^+ &\to \mathrm{e}^+ + \nu_\mathrm{e} ~
\end{align}</math>
การสลายตัวของโบซอน W ที่ให้ผลผลิตแบบอื่นนั้นสามารถเกิดขึ้นได้ ซึ่งมีความเป็นไปได้ที่หลากหลาย
ในกระบวนการที่เรียกว่าการสลายตัวให้อนุภาคบีตาของนิวตรอน (ดูภาพประกอบด้านบน) ดาวน์ควาร์กภายในนิวตรอนจะปล่อยโบซอนเสมือน W– ออกมา และถูกเปลี่ยนเป็นอัพควาร์ก ส่งผลให้นิวตรอนถูกเปลี่ยนเป็นโปรตอน เนื่องจากพลังงานที่เกี่ยวข้องในกระบวนการนี้มีจำกัด (กล่าวคือ พลังงานถูกจำกัดโดยความแตกต่างของมวลระหว่างดาวน์ควาร์กและอัพควาร์ก) โบซอนเสมือน W– จึงทำได้เพียงนำพาพลังงานที่เพียงพอสำหรับการสร้างอิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนแอนตินิวทริโน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีมวลต่ำสุดในบรรดาผลผลิตที่เป็นไปได้ของการสลายตัวของมัน ในระดับควาร์กนั้นกระบวนการนี้สามารถแสดงได้เป็นสมการดังนี้:<math> \mathrm{d} \to \mathrm{u} + \mathrm{e}^- + \bar\nu_\mathrm{e} ~</math>
อันตรกิริยากระแสเป็นกลาง.
ในอันตรกิริยากระแสเป็นกลาง อนุภาคควาร์กหรือเลปตอน (เช่น อิเล็กตรอนหรือมิวออน) จะปลดปล่อยหรือดูดซับอนุภาคโบซอน Z ที่ไม่มีประจุ ตัวอย่างเช่น: 
 <math> \mathrm{e}^- \to \mathrm{e}^- + \mathrm{Z}^0</math>
เช่นเดียวกันกับอนุภาคโบซอน W± ตัวอนุภาค Z0 จะสลายตัวไปอย่างรวดเร็วเช่นกัน ตัวอย่างเช่น:
 <math> \mathrm{Z}^0 \to \mathrm{b} + \bar \mathrm{b} </math>
อันตรกิริยาชนิดนี้ต่างจากอันตรกิริยากระแสมีประจุ ซึ่งกฎการคัดสรรนั้นจะถูกจำกัดอย่างเข้มงวดโดยไครัลลิตี, ประจุไฟฟ้า และ/หรือไอโซสปินอย่างอ่อน อันตรกิริยากระแสเป็นกลางที่เกิดจากโบซอน Z0 สามารถทำให้เฟอร์มิออนใด ๆ ในแบบจำลองมาตรฐานสองตัวเกิดการหักเหได้ อันตรกิริยานี้สามารถเกิดขึ้นได้ทั้งกับอนุภาคและปฏิอนุภาค ไม่ขึ้นกับชนิดของประจุไฟฟ้า และสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งกับอนุภาคที่มีไครัลลิตีซ้าย (left-chirality) และขวา (right-chirality) แม้ว่าความแรงของปฏิสัมพันธ์จะแตกต่างกันไปก็ตาม[เชิงอรรถ 8]
เลขควอนตัมประจุอ่อน (Q) ทำหน้าที่ในปฏิสัมพันธ์กระแสเป็นกลางกับอนุภาค Z⁰ ในลักษณะเดียวกับที่ประจุไฟฟ้า (Q, ไม่มีดัชนี) ทำหน้าที่ในปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า: มันเป็นตัวกำหนดส่วนเวกเตอร์ของปฏิสัมพันธ์นั้น ค่า Q นั้นถูกกำหนดโดย: 
 <math> 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 ~.</math>
เนื่องด้วยมุมผสมอ่อนคือ <math>\theta_\mathsf{w} \approx 29^\circ</math>, นิพจน์ในวงเล็บคือ <math>(1 - 4 \, \sin^2\theta_\mathsf{w}) \approx 0.060</math>, โดยที่ค่าของมันเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยตามความแตกต่างของโมเมนตัม (เรียกว่า "การวิ่ง") ระหว่างอนุภาคที่เกี่ยวข้อง ดังนั้น:
 <math>\ Q_\mathsf{w} \approx 2 \ T_3 - Q = \sgn(Q)\ \big(1 - |Q|\big)\ ,</math>
เนื่องด้วยโดยทั่วไปแล้วนั้น <math>\sgn T_3 \equiv \sgn Q</math>, และสำหรับเฟอร์มิออนทุกตัวที่เกี่ยวข้องกับอันตรกิริยาอย่างอ่อนแล้วนั้น <math>T_3 = \pm\tfrac{1}{2}</math> 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 (<math>\gamma</math> 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 (<math>\gamma</math>) 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.
กฎของธรรมชาติเคยถูกเชื่อกันมาอย่างยาวนานว่าไม่มีความเปลี่ยนแปลงภายใต้การสะท้อนในกระจก กล่าวคือ ผลลัพธ์ของการทดลองที่สังเกตผ่านกระจกควรจะเหมือนกับผลลัพธ์ของชุดอุปกรณ์ทดลองที่สร้างขึ้นแยกต่างหากและสะท้อนกลับด้านเช่นเดียวกัน กฎนี้เรียกว่า "กฎการอนุรักษ์พาริตี" (law of parity conservation) ซึ่งเป็นที่ทราบกันว่าถูกต้องในกรณีของแรงโน้มถ่วงแบบคลาสสิก, แรงแม่เหล็กไฟฟ้า และแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม จึงได้ถูกกำหนดให้เป็นกฎสากล อย่างไรก็ตาม ในช่วงกลางทศวรรษ 1950 เฉินหนิง หยาง และจางเต๋า ลี ได้เสนอว่าแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนอาจละเมิดกฎนี้ ต่อมาในปี ค.ศ. 1957 เจิ้งชง อู๋ และคณะ ได้ค้นพบว่าแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนละเมิดพาริตีจริง ซึ่งนำไปสู่การที่หยางและหลี่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีเดียวกัน
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)
เชิงอรรถ.
<math>\bigl| \Delta T_3 \bigr| = \tfrac{1}{2}\ .</math>
"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"