W 及 Z 玻色子

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2个分类: 规范玻色子 | 基本粒子

在物理學中，W 及 Z 玻色子是負責傳遞弱核力的基本粒子。它們是 1983年在歐洲核子研究組織（CERN）發現的，被認為是粒子物理標準模型的一大勝利。

W 玻色子是因弱核力的“弱”（Weak）字而命名的。而 Z 玻色子則半幽默地因是“最後一個要發現的粒子”而名。另一個說法是因 Z 玻色子有零（Zero）電荷而得名。

[编辑] 基本性質

W 玻色子有兩種，分別有 +1（W⁺）和 −1（W⁻）單位電荷。W⁺ 是 W⁻ 的反粒子。而 Z 玻色子（Z⁰）則為電中性的，且為自身的反粒子。這三種粒子皆十分短命，其半衰期約為 $3 \times 10^{-25}$ 秒。

這些玻色子在各種基本粒子之中屬重型的一類。W 的質量為 80.4 GeV，而 Z 則為 81.2 GeV。它們差不多是質子質量的一百倍 —— 比鐵原子還要重。玻色子的質量是十分重要的，因其限制了弱核力的相用範圍。相對地，電磁力的相用範圍無限遠因為光子無質量。

[编辑] 弱相互作用

W 和 Z 玻色子是传递弱相互作用的媒介粒子，就像光子是传递电磁相互作用的媒介粒子一樣。W 玻色子在核衰變過程中擔任一個重要的角色。以鈷-60 的 β衰變為例，

${}^{60}_{27}\hbox{Co}\to{}^{60}_{28}\hbox{Ni}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e$

此過程在超新星和中子彈爆發時是非常重要的。可是它並不需牽涉到整個鈷核子，而只是它 33 個中子其中之一。那個中子在衰變期間轉變成一個質子、電子（又叫β粒子）和反電子中微子：

$\hbox{n}\to \hbox{p}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e$

但中子和質子都只是夸克的組合（中子是“上下下”，質子是“上上下”）。中子的一粒下夸克在β衰變中受弱相互作用的影响而變成上夸克：

$\hbox{d}\to\hbox{u}+\hbox{W}^- \,$

故弱相互作用可改變夸克的味道。而所發出的 W⁻ 粒子迅速衰變成電子和反電中微子：

$\hbox{W}^-\to\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e$

因 Z 玻色子是自己的反粒子，故它的所有量子數皆為零。交換 Z 玻色子是一個中性流作用（Neutral current interaction），而接收和發出玻色子的粒子除動量外甚麼也沒變。要觀測中性流作用需要在粒子加速器和偵察器上作很大的投資，故目前世上只有幾所高能物理實驗室擁有這些儀器。

[编辑] W 和 Z 玻色子的預測

於1950年代量子電動力學的空前成功後，科學家希望為弱核力建立相似的理論。於1968年，這個論調在統一電磁力和弱核力後達到高潮。提出弱電統一的 Sheldon Glashow、Steven Weinberg 和 Abdus Salam 因此得到 1979年的諾貝爾物理學獎（見[1]）。他們的弱電理論不止假設了 W 玻色子的存在來解釋β衰變，還預測有一種未被發現的 Z 玻色子。

W 和 Z 玻色子有質量，而光子卻沒有 —— 這是弱電理論發展的一大障礙。這些粒子現時以一個 SU(2) 规范理論（Gauge theory）來精確描述，但理論中玻色子必定無質量。譬如，光子無質量是因為電磁力能以一個 U(1) 规范理論解釋。某些機制必須破壞 SU(2) 的對稱來給予 W 和 Z 玻色子的質量。其中一個解釋是由彼得．希格斯於1960年代晚期提出的希格斯機制。它預言了一種尚未發現的新粒子 —— 希格斯玻色子。

SU(2) 測量儀理論、電磁力和希格斯機制三者的組合稱為 Glashow-Weinberg-Salam 模型。它是目前廣泛接受為標準模型的一大支柱。至 2003年為止，標準模型唯一未被實驗證實的預言只有希格斯玻色子。

[编辑] W 和 Z 玻色子的發現

W 和 Z 粒子的發現是 CERN 引以自豪的。首先，於 1973年，弱電理論預言了中性流作用；那時 Gargamelle 的氣泡室攝得一些電子突然自行移動的軌跡。這些被詮釋為中微子通過交換隠形的 Z 玻色子與電子互相作用。因中微子是測不到的，故只有電子的動量改變可測。

以 W 和 Z 粒子要到一強勁的粒子加速器建立後才正式被發現。第一部這樣的加速器是超級質子同步加速器（SPS），其中 Carlo Rubbia 和 Simon van der Meer 在1983年一月進行的一連串實驗給出了明顯的 W 粒子證據。這些實驗稱作“UA1”（由 Rubbia 主導）和“UA2”，且實為很多人努力的成果。Van der Meer 是負責加速器（隨機冷卻）的。UA1 和 UA2 在幾個月後（1983 年五月）找到 Z 粒子。Rubbia 和 van der Meer 因而得到 1984年的諾貝爾物理學獎（見[2]）。這算是保守的諾貝爾獎成立以來最異常的一步。

[编辑] 外部連結

粒子物理學回顧（The Review of Particle Physics）：粒子性質資訊的首要來源。
CERN 的 W 和 Z 粒子網頁

基本粒子和基本交互作用	编辑
費米子: 夸克 \| 輕子
玻色子 : 膠子 \| 光子 \| W 及 Z 玻色子 \| 引力子 # \| 希格斯玻色子
基本相互作用：强交互作用 \| 电磁交互作用 \| 弱交互作用 \| 重力交互作用#
*：尚未發現；#：不在標準模型内

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