弱相互作用

弱相互作用

弱相互作用

粒子物理学标准模型

弱相互作用（又称弱力或弱核力）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”，是因为它的一般强度，比电磁及强核力弱好几个数量级。大部份粒子在一段时间后，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，现在叫电弱力。

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）。

性质

图为标准模型中六种夸克的电荷与质量分布，以及各种衰变路线，线的虚实代表该衰变发生的可能。

弱相互作用有如下的数项特点：

1. 唯一能够改变夸克味的相互作用。

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。

由于弱相互作用载体粒子（W及Z玻色子）质量很大（约90 GeV/c2），所以他们的寿命很短：平均寿命约为 3 ×10-25

秒。弱相互作用的耦合常数（相互作用强度的一个指标）介乎10−7与10−6之间，而相比下，强相互作用的耦合常数约为1，故就强度而言，弱相互作用是弱的。弱相用作用的作用距离很短（约为10−17–10−16 m）。在大约10−18米的距离下，弱相互作用的强度与电磁大约一致；但在大约3×10−17的距离下，弱相互作用比电磁弱一万倍。

在标准模型中，弱相互作用会影响所有费米子，还有希格斯玻色子；弱相互作用是除引力相互作用外唯一一种对中微子有效的相互作用。弱相互作用并不产生束缚态（它也不需要束缚能）——引力在天文距离下这样做，电磁力在原子距离下这样做，而强核力则在原子核中这样做。

它最明显的过程是由第一项特点所造成的：味变。比方说，一个中子比一个质子（中子的核子拍档）重，但它不能在没有变味（种类）的情况下衰变成质子，它两个“下夸克”中的一个需要变成“上夸克”。由于强相互作用和电磁相互作用都不允许味变，所以它一定要用弱相互作用；没有弱相互作用的话：夸克的特性，如奇异及魅（与同名的夸克相关），会在所有相互作用下守恒。因为弱衰变的关系，所以所有介子都不稳定。在β衰变这个过程下，中子里面的“下夸克”，会发射出一个虚W−

玻色子，它随即衰变成一电子及一反电中微子。

由于玻色子的大质量，所以弱衰变相对于强或电磁衰变，可能性是比较低的，因此发生得比较慢。例如，一个中性π介

子在通过电磁衰变时，寿命约为10-16秒；而一个带电π介子的通过弱核力衰变时，寿命约为10-8秒，是前者的一亿倍。相比下，一个自由中子（通过弱相互作用衰变）的寿命约为15分钟。

弱同位旋与弱超荷

主条目：弱超荷

标准模型中的左手费米子

第一代

第二代

第三代

费米子

符

号

弱

同位

旋

费米子

符

号

弱

同位

旋

费米子

符

号

弱

同位

旋电子μ子τ子

电中微

子

μ中微

子

τ中微

子

上夸克粲夸克顶夸克

下夸克奇夸克底夸克

所有左手反粒子的弱同位旋均为零。右手反粒子的弱同位

旋与左手粒子相反。

弱同位旋（T3）是所有粒子都拥有的一种性质（量子数），决定了粒子在弱相互作用下该如何反应。对于弱相互作用来

说，弱同位旋的作用跟电磁相互作用中的电荷，或者是强相互作用中的色荷一样。所有费米子的弱同位旋均为+1⁄2或-1⁄

，例如上夸克的弱同位旋为+1⁄2，而下夸克的弱同位旋则为2

-1⁄2。另一方面，在弱衰变的前后，夸克的T3永远是不一样

的。也就是说，T3 = +1⁄2的上型夸克（上、魅及顶），在弱

衰变后必须变为T3 = −1⁄2的下型夸克（下、奇及底），反之

亦然。

通过弱相互作用衰变的π+介子

弱同位旋是守恒的：反应产物的弱同位旋总和，等于反应物的弱同位旋总和。例如，一左手π+介子，弱同位旋为+1，一般衰变成一νμ（+1⁄2）及一μ+（+1⁄2，因为是右手反粒子）。在电弱理论中，粒子有一种新的性质，称为弱超荷。它的数值由粒子的电荷及弱同位旋决定：

，

其中Y W为粒子的弱超荷，Q为电荷（以基本电荷为单位）及T3为弱同位旋。弱超荷是U(1)部份生成元的规范群。

对称破缺