弱作用力

**弱交互作用**（又稱**弱力**或**弱核力**）是自然的四種基本力中的一種，其餘三種為強交互作用、電磁力和引力。次原子粒子的放射性衰變就是由它引起的，恆星中一種叫氫融合的過程也是由它啟動的。弱交互作用會影響所有的費米子，即所有自旋為半奇數的粒子。

在粒子物理學的標準模型中，弱交互作用的理論指出，它是由 W 及 Z 玻色子的交換（即發射及吸收）所引起的，由於弱力是由玻色子的發射（或吸收）所造成的，所以它是一種非接觸力。這種發射中最有名的是 β 衰變，它是放射性的一種表現。重的粒子性質不穩定，由於 Z 及 W 玻色子比質子或中子重得多，所以弱交互作用的作用距離非常短。這種交互作用叫做「弱」，是因為 β 衰變發生的機率比強交互作用低很多，表示它的一般強度比電磁及強交互作用弱好幾個數量級。大部份粒子在一段時間後，都會通過弱交互作用衰變。弱交互作用有一種獨一無二的特性 —— 那就是夸克味變 —— 其他交互作用做不到這一點。另外，它還會破壞宇稱對稱及 CP 對稱。夸克的味變使得夸克能夠在六種「味」之間互換。

弱力最早的描述是在 1930 年代，是四費米子接觸交互作用的費米理論：接觸指的是沒有作用距離（即完全靠物理接觸）。但是現在最好是用有作用距離的場來描述它，儘管那個距離很短。在 1968 年，電磁與弱交互作用統一，它們是同一種力的兩個表徵，現在叫電弱交互作用。

弱交互作用在粒子的 β 衰變中最為明顯，在由氫生產重氫和氦的過程中（恆星熱核反應的能量來源）也很明顯。放射性碳定年法用的就是這樣的衰變，此時碳 - 14 通過弱交互作用衰變成氮 - 14。它也可以造出輻射冷光，常見於超重氫照明；也造就 β 放射這個應用領域（把 β 射線的電子當電流用）。

## 性質

弱交互作用有如下的數項特點：

1. 唯一能夠改變夸克味的交互作用。
2. 唯一能令宇稱不守恆的交互作用。因此它也是唯一違反 CP 對稱的交互作用。
3. 由具質量的規範玻色子所介導的交互作用。這一不尋常的特點可由標準模型的希格斯機制得出。

由於弱交互作用載體粒子（W 及 Z 玻色子）質量很大（約 90 GeV/c2），所以他們的壽命很短：平均壽命約為 3 × 10-25 秒。弱交互作用的耦合常數（交互作用強度的一個指標）介乎 10−7 與 10−6 之間，而相比下，強交互作用的耦合常數約為 1，故就強度而言，弱交互作用是弱的。弱交互作用的作用距離很短（約為 10−17–10−16m）。在大約 10−18 米的距離下，弱交互作用的強度與電磁大約一致；但在大約 3×10−17 的距離下，弱交互作用比電磁弱一萬倍。

在標準模型中，弱交互作用會影響所有費米子，還有希格斯玻色子；弱交互作用是除引力交互作用外唯一一種對微中子有效的交互作用。弱交互作用並不產生束縛態（它也不需要束縛能），而重力、電磁力和強核力則分別會在天文、原子、原子核的尺度下產生束縛態。

它最明顯的過程是由第一項特點所造成的：味變。比方說，一個中子比一個質子（中子的核子拍檔）重，但它不能在沒有變味（種類）的情況下衰變成質子，它兩個「下夸克」中的一個需要變成「上夸克」。由於強交互作用和電磁交互作用都不允許味變，所以它一定要用**弱交互作用**；沒有弱交互作用的話：夸克的特性，如奇異及魅（與同名的夸克相關），會在所有交互作用下守恆。因為弱衰變的關係，所以所有介子都不穩定。在 β 衰變這個過程下，中子裏面的「下夸克」，會發射出一個虛 
W− 
玻色子，它隨即衰變成一電子及一反電微中子。

由於玻色子的大質量，所以弱衰變相對於強或電磁衰變，可能性是比較低的，因此發生得比較慢。例如，一個中性 π 介子在通過電磁衰變時，壽命約為 10-16 秒；而一個帶電 π 介子的通過弱核力衰變時，壽命約為 10-8 秒，是前者的一億倍。相比下，一個自由中子（通過弱交互作用衰變）的壽命約為 15 分鐘。

### 弱同位旋與弱超荷

弱同位旋（T3）是所有粒子都擁有的一種性質（量子數），決定了粒子在弱交互作用下該如何反應。對於弱交互作用來說，弱同位旋的作用跟電磁交互作用中的電荷，或者是強交互作用中的色荷一樣。所有費米子的弱同位旋均為 +1⁄2 或 -1⁄2，例如上夸克的弱同位旋為 +1⁄2，而下夸克的弱同位旋則為 -1⁄2。另一方面，在弱衰變的前後，夸克的 T3 永遠是不一樣的。也就是說，T3 = +1⁄2 的上型夸克（上、粲 (魅) 及頂），在弱衰變後必須變為 T3 = −1⁄2 的下型夸克（下、奇及底），反之亦然。

弱同位旋是守恆的：反應產物的弱同位旋總和，等於反應物的弱同位旋總和。例如，一左手 
π+ 
介子，弱同位旋為 + 1，一般衰變成一 
ν 
μ（+1⁄2）及一 
μ+ 
（+1⁄2，因為是右手反粒子）。

在電弱理論中，粒子有一種新的性質，稱為弱超荷。它的數值由粒子的電荷及弱同位旋決定：

　
: $\qquad Y_{W}=2(Q-T_{3})$ ，

其中 _YW_ 為粒子的弱超荷，_Q_ 為電荷（以基本電荷為單位）及 _T3_ 為弱同位旋。弱超荷是 U (1) 部份生成元的規範群。

### 對稱破缺

長久以來，人們以為自然定律在鏡像反射後會維持不變，鏡像反射等同把所有空間軸反轉。也就是說在鏡中看實驗，跟把實驗設備轉成鏡像方向後看實驗，兩者的實驗結果會是一樣的。這條所謂的定律叫宇稱守恆，古典重力、電磁及強交互作用都遵守這條定律；它被假定為一條萬物通用的定律。然而，在 1950 年代中期，楊振寧與李政道提出弱交互作用可能會破壞這一條定律。吳健雄與同事於 1957 年發現了弱交互作用的宇稱不守恆，為楊振寧與李政道帶來了 1957 年的諾貝爾物理學獎。

儘管以前用費米理論就能描述弱交互作用，但是在發現宇稱不守恆及重整化理論後，弱交互作用需要一種新的描述手法。在 1957 年羅伯特・馬沙克與喬治・蘇達尚，及稍後理察・費曼與默里・蓋爾曼，提出弱交互作用的 **V−A**（向量 V 減軸向量 A 或左手性）拉格朗日量。在這套理論中，弱交互作用只作用於左手粒子（或右手反粒子）。由於左手粒子的鏡像反射是右手粒子，所以這解釋了宇稱的最大破壞。有趣的是，由於 **V−A** 開發時還未有發現 Z 玻色子，所以理論並沒有包括進入中性流交互作用的右手場。

然而，該理論允許複合對稱 **CP** 守恆。**CP** 由兩部份組成，宇稱 **P**（左右互換）及電荷共軛 **C**（把粒子換成反粒子）。1964 年的一個發現完全出乎物理學家的意料，詹姆斯・克羅寧與瓦爾・菲奇以 K 介子衰變，為弱交互作用下 CP 對稱破缺提供了明確的證據，二人因此獲得 1980 年的諾貝爾物理學獎。小林誠與益川敏英於 1972 年指出，弱交互作用的 CP 破壞，需要兩代以上的粒子，因此這項發現實際上預測第三代粒子的存在，而這個預測在 2008 年為他們帶來半個諾貝爾物理學獎。跟宇稱不守恆不一樣，CP 破壞的發生機率並不高，但是它仍是解答宇宙間物質反物質失衡的一大關鍵；它因此成了安德烈・薩哈羅夫的重子產生過程三大條件之一。

## 交互作用類型

弱交互作用共有兩種。第一種叫「載荷流交互作用」，因為負責傳遞它的粒子帶電荷（ 
W+ 
或 
W− 
），β 衰變就是由它所引起的。第二種叫「中性流交互作用」，因為負責傳遞它的粒子，Z 玻色子，是中性的（不帶電荷）。

### 載荷流交互作用

在其中一種載荷流交互作用中，一帶電荷的輕子（例如電子或緲子，電荷為−1）可以吸收一 
W+ 
玻色子（電荷為 + 1），然後轉化成對應的微中子（電荷為 0），而微中子（電子、μ 及 τ）的類型（代）跟交互作用前的輕子一致，例如：

　
: $\mu ^{-}+W^{+}\to \nu _{\mu }$

同樣地，一下型夸克（電荷為−1⁄3）可以通過發射一 
W− 
玻色子，或吸收一 
W+ 
玻色子，來轉化成一上型夸克（電荷為 +2⁄3）。更準確地，下型夸克變成了上型夸克的量子疊加態：也就是說，它有著轉化成三種上型夸克中任何一種的可能性，可能性的大小由 CKM 矩陣所描述。相反地，一上型夸克可以發射一 
W+ 
玻色子，或吸收一 
W− 
玻色子，然後轉化成一下型夸克：

　
: $d\to u+W^{-}$

　
: $d+W^{+}\to u$

　
: $c\to s+W^{+}$

　
: $c+W^{-}\to s$

由於 W 玻色子很不穩定，所以它壽命很短，很快就發生衰變。例如：

　
: $W^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}~$

　
: $W^{+}\to e^{+}+\nu _{e}~$

W 玻色子可以衰變成其他產物，可能性不一。

在中子所謂的 β 衰變中（見上圖），中子內的一下夸克，發射出一虛 
W− 
玻色子，並因此轉化成一上夸克，中子亦因此轉化成質子。由於過程中的能量（即下夸克與上夸克間的質量差）， 
W− 
只能轉化成一電子及一反電微中子。在夸克的層次，過程可由下式所述：

　
: $d\to u+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}~$

### 中性流交互作用

在中性流交互作用中，一夸克或一輕子（例如一電子或緲子）發射或吸收一中性 Z 玻色子。例如：

　
: $e^{-}\to e^{-}+Z^{0}$

跟 W 玻色子一樣，Z 玻色子也會迅速衰變，例如：

　
: $Z^{0}\to b+{\bar {b}}$

## 電弱理論

在粒子物理學的標準模型描述中，弱交互作用與電磁交互作用是同一種交互作用的不同方面，叫電弱交互作用，這套理論在 1968 年發表，開發者為謝爾登・格拉肖、阿卜杜勒・薩拉姆與史蒂文・溫伯格。他們的研究在 1979 年獲得了諾貝爾物理學獎的肯定。希格斯機制解釋了三種大質量玻色子（弱交互作用的三種載體）的存在，還有電磁交互作用的無質量光子。

根據電弱理論，在能量非常高的時候，宇宙共有四種無質量的規範玻色子場，它們跟光子類似，還有一個複向量希格斯場雙重態。然而在能量低的時候，規範對稱會出現自發破缺，變成電磁交互作用的 **U**(1) 對稱（其中一個希格斯場有了真空期望值）。雖然這種對稱破缺會產生三種無質量玻色子，但是它們會與三股光子類場融合，這樣希格斯機制會為它們帶來質量。這三股場就成為了弱交互作用的 
W+ 
、 
W− 
及 Z 玻色子，而第四股規範場則繼續保持無質量，也就是電磁交互作用的光子。

雖然這套理論作出好幾個預測，包括在 Z 及 W 玻色子發現前預測到它們的質量，但是希格斯玻色子本身仍未被發現。歐洲核子研究組織轄下的大型強子對撞機，它其中一項主要任務，就是要生產出希格斯玻色子。
2013 年 3 月 14 日，歐洲核子研究組織發佈新聞稿，正式宣布探測到新的粒子，即希格斯玻色子。

## 參考資料

### 註釋

### 大眾書籍

* Oerter, R. The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Plume. 2006. ISBN 9780132366786.
* Schumm, B.A. Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics. Johns Hopkins University Press. 2004. ISBN 0-8018-7971-X.

### 科學書籍

* Bromley, D.A. Gauge Theory of Weak Interactions. Springer. 2000. ISBN 3-540-67672-4.
* Coughlan, G.D.; Dodd, J.E.; Gripaios, B.M. The Ideas of Particle Physics: An Introduction for Scientists 3rd. Cambridge University Press. 2006. ISBN 978-0521677752.
* Cottingham, W.N.; Greenwood, D.A. An introduction to nuclear physics 2. Cambridge University Press. 2001: 30 [2011-07-29]. ISBN9780521657334. （原始內容存檔於 2015-02-02）.
* Griffiths, D.J. Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. 1987. ISBN 0-471-60386-4.
* Kane, G.L. Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books. 1987. ISBN 0-201-11749-5.
* Perkins, D.H. Introduction to High Energy Physics. Cambridge University Press. 2000. ISBN 0-521-62196-8.