2020-05-29 10:16:21

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弱相互作用(又称弱力弱核力)是自然的四种基本力中的一种,其余三种为强核力电磁力及万有引力。次原子粒子的放射性衰变就是由它引起的,恒星中一种叫氢聚变的过程也是由它启动的。弱相互作用会影响所有费米子,即所有自旋为半奇数的粒子。

基本信息

  • 中文名

    弱相互作用

  • 外文名

    weak interaction

  • 特点

    唯一能够改变夸克味的相互作用

  • 又称

    弱力或弱核力

折叠 编辑本段 简介

弱相互作用(又称弱力弱核力)是自然的四种基本力中的一种,其余三种为强核力电磁力及万有引力。次原子粒子的放射性衰变就是由它引起的,恒星中一种叫氢聚变的过程也是由它启动的。弱相互作用会影响所有费米子,即所有自旋为半奇数的粒子。

在粒子物理学的标准模型中,弱相互作用的理论指出,它是由W及Z玻色子的交换(即发射及吸收)所引起的,由于弱力是由玻色子的发射(或吸收)所造成的,所以它是一种非接触力。这种发射中最有名的是β衰变,它是放射性的一种表现。重的粒子性质不稳定,由于Z及W玻色子比质子或中子重得多,所以弱相互作用的作用距离非常短。这种相互作用叫做"弱",是因为β衰变发生的概率比强相互作用低很多,表示它的一般强度比电磁及强核力弱好几个数量级。大部分粒子在一段时间后,都会通过弱相互作用衰变。弱相互作用有一种独一无二的特性--那就是夸克味变--其他相互作用做不到这一点。另外,它还会破坏宇称对称及CP对称。夸克的味变使得夸克能够在六种"味"之间互换。

弱力最早的描述是在1930年代,是四费米子接触相互作用的费米理论:接触指的是没有作用距离(即完全靠物理接触)。但是现在最好是用有作用距离的场来描述它,尽管那个距离很短。在1968年,电磁与弱相互作用统一了,它们是同一种力的两个方面,现在叫弱电相互作用。

弱相互作用在粒子的β衰变中最为明显,在由氢生产重氢和氦的过程中(恒星热核反应的能量来源)也很明显。放射性碳定年法用的就是这样的衰变,此时碳-14通过弱相互作用衰变成氮-14。它也可以造出辐射冷光,常见于超重氢照明;也造就了β伏这一应用领域(把β射线的电子当电流用)。

折叠 编辑本段 性质

弱相互作用有如下的数项特点:

  1. 唯一能够改变夸克的相互作用。
  2. 唯一能令宇称不守恒的相互作用。因此它也是唯一违反CP对称的相互作用。
  3. 由具质量的规范玻色子所介导的相互作用。这一不寻常的特点可由标准模型的希格斯机制得出。

折叠 对称破缺

长久以来,人们以为自然定律在镜像反射后会维持不变,镜像反射等同把所有空间轴反转。也就是说在镜中看实验,跟把实验设备转成镜像方向后看实验,两者的实验结果会是一样的。这条所谓的定律叫宇称守恒,经典重力、电磁及强相互作用都遵守这条定律;它被假定为一条万物通用的定律。然而,在1950年代中期,杨振宁与李政道提出弱相互作用可能会破坏这一条定律。吴健雄与同事于1957年发现了弱相互作用的宇称不守恒,为杨振宁与李政道带来了1957年的诺贝尔物理学奖

尽管以前用费米理论就能描述弱相互作用,但是在发现宇称不守恒及重整化理论后,弱相互作用需要一种新的描述手法。在1957年罗伯特·马沙克与乔治·苏达尚,及稍后理查德·费曼默里·盖尔曼,提出了弱相互作用的V−A(矢量V减轴矢量A或左手性)拉格朗日量。在这套理论中,弱相互作用只作用于左手粒子(或右手反粒子)。由于左手粒子的镜像反射是右手粒子,所以这解释了宇称的最大破坏。有趣的是,由于V−A开发时还未有发现Z玻色子,所以理论并没有包括进入中性流相互作用的右手场。

然而,该理论允许复合对称CP守恒。CP由两部分组成,宇称P(左右互换)及电荷共轭C(把粒子换成反粒子)。1964年的一个发现完全出乎物理学家的意料,詹姆斯·克罗宁与瓦尔·菲奇以K介子衰变,为弱相用作用下CP对称破缺提供了明确的证据,二人因此获得1980年的诺贝尔物理学奖。小林诚与益川敏英于1972年指出,弱相互作用的CP破坏,需要两代以上的粒子,因此这项发现实际上预测了第三代粒子的存在,而这个预测在2008年为他们带来了半个诺贝尔物理学奖。跟宇称不守恒不一样,CP破坏的发生概率并不高,但是它仍是解答宇宙间物质反物质失衡的一大关键;它因此成了安德烈·萨哈罗夫的重子产生过程三条件之一。

折叠 编辑本段 电弱理论

主条目:弱电相互作用

在粒子物理学的标准模型描述中,弱相互作用与电磁相互作用是同一种相互作用的不同方面,叫弱电相互作用,这套理论在1968年发表,开发者为谢尔登·格拉肖、阿卜杜勒·萨拉姆史蒂文·温伯格。他们的研究在1979年获得了诺贝尔物理学奖的肯定。希格斯机制解释了三种大质量玻色子(弱相互作用的三种载体)的存在,还有电磁相互作用的无质量光子。

根据电弱理论,在能量非常高的时候,宇宙共有四种无质量的规范玻色子场,它们跟光子类似,还有一个复矢量希格斯场双重态。然而在能量低的时候,规范对称会出现自发破缺,变成电磁相互作用的U(1)对称(其中一个希格斯场有了真空期望值)。虽然这种对称破缺会产生三种无质量玻色子,但是它们会与三股光子类场融合,这样希格斯机制会为它们带来质量。这三股场就成为了弱相互作用的W+、W−及Z玻色子,而第四股规范场则继续保持无质量,也就是电磁相互作用的光子。

虽然这套理论作出好几个预测,包括在Z及W玻色子发现前预测到它们的质量,但是希格斯玻色子本身仍未被发现。欧洲核子研究组织辖下的大型强子对撞机,它其中一项主要任务,就是要生产出希格斯玻色子。 2013年3月14日,欧洲核子研究组织发布新闻稿,正式宣布探测到新的粒子,即希格斯玻色子。

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