W及Z玻色子
| 组成 | 基本粒子 |
|---|---|
| 系 | 玻色子 |
| 基本相互作用 | 弱相互作用 |
| 理论 | 1967年 (温伯格，萨拉姆) |
| 发现 | 1983年（UA1和UA2合作组） |
| 质量 | W: 80.385±0.015GeV Z: 91.1876±0.0021GeV |
| 自旋 | 1 |
在物理学中，W及Z玻色子（boson）是负责传递弱核力的基本粒子。它们是1983年在欧洲核子研究组织发现的，被认为是粒子物理标准模型的一大胜利。
W玻色子是因弱核力的“弱”（Weak）字而命名的。而Z玻色子则因是“最后一个要发现的粒子”而名。另一个说法是因Z玻色子有零（Zero）电荷而得名。
基本性质
[编辑]W玻色子有两种，分别有 +1（W+）和−1（W−）单位电荷。W+是W−的反粒子。而Z玻色子（Z0）则为电中性的，且为自身的反粒子。这三种粒子皆十分短命，其半衰期约为秒。
这些玻色子在各种基本粒子之中属重型的一类。W的质量为80.399 ± 0.023 GeV，而Z则为91.1876 ± 0.0021 GeV。它们差不多是质子质量的一百倍——比铁原子还要重。玻色子的质量是十分重要的，因其限制了弱核力的作用范围。相对地，因为光子无质量，故电磁力的作用范围无限远。
弱相互作用
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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和胶子是传递强相互作用的媒介粒子一样。W玻色子在核衰变过程中担任一个重要的角色。以钴-60的β衰变为例，
此反应在超新星和中子弹爆炸时是非常重要的。可是它并不需牵涉到整个钴核子，而只是它33个中子其中之一。此中子在衰变期间转变成一个质子、电子（又叫β粒子）和反电微中子：
但中子和质子都只是夸克的组合（中子是“上下下”(标准模型符号为:u,d,d)，质子是“上上下”(标准模型符号为:u,u,d)）。中子的一粒下夸克在β衰变中受弱相互作用的影响而变成上夸克：
- ，
故弱相互作用可改变夸克的“味道”（参阅费米子）。而所发出的W−粒子迅速衰变成电子和反电微中子：
因Z玻色子是自己的反粒子，故它的所有量子数皆为零。交换Z玻色子是一个中性流作用（Neutral current interaction），而接收和发出Z玻色子的粒子除动量外什么也没变。要观测中性流作用需要在粒子加速器和粒子侦察器上作很大的投资，故目前世界上只有几所高能物理实验室拥有这些仪器。
W和Z玻色子的预测
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于1950年代量子电动力学的空前成功后，科学家希望为弱核力建立相似的理论。于1968年，这个论调在统一电磁力和弱核力后达到高潮。提出弱电统一的谢尔登·格拉肖、史蒂文·温伯格和阿卜杜勒·萨拉姆因此得到1979年的诺贝尔物理学奖[1]。他们的弱电理论不止假设了W玻色子的存在来解释β衰变，还预测有一种未被发现的Z玻色子。
W和Z玻色子有质量，而光子却没有——这是弱电理论发展的一大障碍。这些粒子现时以一个SU(2) 规范理论来精确描述，但理论中玻色子必定无质量。譬如，光子无质量是因为电磁力能以一个U(1)规范理论解释。某些机制必须破坏SU(2)的对称来给予W和Z玻色子的质量。其中一个解释是由彼得·希格斯于1960年代晚期提出的希格斯机制。它预言了一种新粒子——希格斯玻色子(现今此粒子已被证实存在了)。
SU(2)测量仪理论、电磁力和希格斯机制三者的组合称为格拉肖-温伯格-萨拉姆模型。它是目前广泛接受为标准模型的一大支柱。
W和Z玻色子的发现
[编辑]W和Z粒子的发现是欧洲核子研究组织的主要成就之一。首先，于1973年，实验观察到了弱电理论预测的中性流作用；那时加尔加梅勒的气泡室拍摄到有一些电子突然自行移动的轨迹。这些观测结果被诠释为中微子借由交换没有轨迹的Z玻色子与电子互相作用。由于中微子是侦测不到的，因此实验中只能看到电子因着交互作用而造成的动量改变。
W和Z粒子要到能量够高的粒子加速器建立后才正式被发现。第一部这样的加速器是超级质子同步加速器，其中卡洛·鲁比亚和西蒙·范德梅尔在1983年一月进行的一连串实验给出了明显的W粒子证据。这些实验称作“UA1”（由鲁比亚主导）和“UA2”，且为众多人合作的努力成果。范德梅尔是加速器方面的驱策者（随机冷却）。UA1和UA2在几个月后（1983年五月）找到Z粒子。很快地鲁比亚和范德梅尔因而得到1984年的诺贝尔物理学奖[2]，这可算是保守的诺贝尔奖基金会自成立以来相当不寻常迅速的一次。
参考资料
[编辑]外部链接
[编辑]- 粒子物理学回顾（The Review of Particle Physics） （页面存档备份，存于互联网档案馆）：粒子性质资讯的首要来源。
- CERN的W和Z粒子网页
