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弱相互作用(二) (浏览次数:872)
发表于2014-12-7 12:39:00

作用类型

弱相互作用共有两种。第一种叫“载荷流相互作用”,因为负责传递它的粒子带电荷(W+W?),β衰变就是由它所引起的。第二种叫“中性流相互作用”,因为负责传递它的粒子,Z玻色子,是中性的(不带电荷)。

载荷流相互作用

上图为一β?衰变的费曼图,一中子衰变成质子、电子及电中微子各一,衰变的中间产物为一粒重的W?玻色子。

在其中一种载荷流相互作用中,一带电荷的轻子(例如电子或μ子,电荷为?1)可以吸收一W+玻色子(电荷为+1),然后转化成对应的中微子(电荷为0),而中微子(电子、μ及τ)的类型(代)跟相互作用前的轻子一致,

同样地,一下型夸克(电荷为?1?3)可以通过发射一W?玻色子,或吸收一W+玻色子,来转化成一上型夸克(电荷为+2?3)。更准确地,下型夸克变成了上型夸克的量子叠加态:也就是说,它有着转化成三种上型夸克中任何一种的可能性,可能性的大小由CKM矩阵所描述。相反地,一上型夸克可以发射一W+

玻色子,或吸收一W?

玻色子,然后转化成一下型夸克:

由于W玻色子很不稳定,所以它寿命很短,很快就发生衰变。例如:W玻色子可以衰变成其他产物,可能性不一[24]

在中子所谓的β衰变中,中子内的一下夸克,发射出一虚W?

玻色子,并因此转化成一上夸克,中子亦因此转化成质子。由于过程中的能量(即下夸克与上夸克间的质量差),W?只能转化成一电子及一反电中微子在夸克的层次。

中性流相互作用

在中性流相互作用中,一夸克或一轻子(例如一电子或μ子)发射或吸收一中性Z玻色子。跟W玻色子一样,Z玻色子也会迅速衰变

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,经典引力电磁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(Robert Marshak)与乔治·苏达尚(George Sudarshan),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由两部份组成,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。小林诚益川敏英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。

 

3具体介绍

最早观察到的弱作用现象是原子核β衰变。后来又观察到介子重子轻子通过弱作用的衰变中微子散射等弱作用过程。弱作用的力程在四种作用中是最短的,在低能过程中可以近似地看作是参与弱作用过程的粒子在同一点的作用。分析实验的经过发现,费米子在一点的弱作用(称为费米作用),是两个费密子弱作用流的耦合,所谓弱作用流相当于电磁作用的电流。耦合常数G与质子质量二次方的乘积是无量纲的,比电磁作用的精细结构常数1000倍。这个比例反映了两种作用在低能下强度的差别。

弱相互作用的另一个特点是对称性低。在弱相互作用中,空间反射、电荷共轭和时间反演的对称性都被破坏;同位旋奇异数粲数底数等在强作用下守恒的量子数都不守恒。但是破坏时间反演的弱作用比不破坏时间反演的弱作用弱得多。

通过实验和理论的长期研究,人们已经基本了解低能有效费密作用中弱作用流的具体形式,总结建立了普适费米型弱相互作用理论。但是费密作用的场论是不可重正化的,无法计算微扰论的高阶效应。把费密作用的形式用于高能量还有其他原则性的困难,因此费密作用不能作为弱相互作用的基本理论。另一方面人们注意到弱相互作用与电磁相互作用虽然很不相同,却又有相似之处。弱作用流与电流一样是守恒的,它们之间还有以对称性相联系的关系。因此在60年代末提出了弱作用和电磁作用统一的规范理论(见电弱统一理论)。这种理论描述轻子和组成强子夸克以及一些称为黑格斯粒子(见黑格斯机制) 的自旋为零的粒子与统一的电-规范场相互作用。这是一种规范对称性自发破缺的理论。理论中有一个规范粒子无质量,它是传递电磁作用光子,其余的规范粒子得到质量,它们是传递弱作用的粒子,称为中间玻色子。这种理论把似乎没有关系的自然界的两种基本相互作用联系起来,而且是可重正化的。标准的电弱统一规范模型与所有低能的弱作用实验结果一致。理论中预言的中间玻色子也已于1983年发现。因此电弱统一规范理论正确地描述了弱相互作用。

4分类

有两种弱相互作用,一种是有轻子(电子e,中微子ν,μ子以及它们的反粒子)参与的反应,如β衰变,正β衰变,μ子的衰变以及π介子的衰变等;另一种是Κ介子和∧超子的衰变。这两种弱相互作用的强度相同,都比强相互作用弱10^12倍,相互作用时间约为10^(-6)10^(-8)s 

5弱相互作用

粒子物理学标准模型中,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CP对称。夸克的味变使得夸克能够在六种“”之间互换。


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