W及Z玻色子

✍ dations ◷ 2025-06-06 21:37:35 #W及Z玻色子
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玻色子则半幽默地因是“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。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 3 × 10 − 25 {displaystyle 3times 10^{-25}} 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相用范围。相对地,电磁力的相用范围无限远因为光子无质量。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”,质子是“上上下”)。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。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。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微中子借由交换没有轨迹的Z玻色子与电子互相作用。由于微中子是侦测不到的,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,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。

相关

  • 公共事业振兴署公共事业振兴署(英语:Works Progress Administration, WPA)(1935年-1943年),大萧条时期美国总统罗斯福实施新政时期建立的一个政府机构,以助解决当时大规模的失业问题,是新政时期(以及
  • 心包填塞心包填塞(Cardiac tamponade)是指心包(包围心脏的双层膜囊)累积大量液体(英语:Pericardial effusion),并且压迫心脏的情形。其症状可能非常快速,也可能是渐进出现。心包填塞的一般症
  • 同种型免疫球蛋白的同种型是指免疫球蛋白类型或亚型的重链遗传变化或差异。人类有九种同种型:免疫球蛋白类型转换可以改变重链的类型,但不会改变轻链。表位(线性、构象)抗体(单株抗体、
  • 人的成长与发展人的成长(Human development)是指人发育(英语:Auxology)到成年的过程。以生物学的观点,是从一个细胞的受精卵成长到成人的过程。受精是指精子成功的进入卵子细胞核内。精子和卵子
  • 醉酒酒精中毒,轻度称“酒醉”,是人血液酒精浓度达到一定浓度后发生的一种生理现象。较为常见的症状包括语言含混、多幸福感、平衡失控、肌肉失调、皮肤转红、眼部充血、呕吐、举止
  • Fasciolopsis buski布氏姜片虫(学名:Fasciolopsis buski),简称姜片虫,是一种外观极像薄切姜片的中、大型寄生虫。为完成一代生活,这种虫必须在环境适当的淡水螺体内发育,再以常见的水生植物作第二轮的
  • 妊娠线妊娠线在怀孕后三个月时,在腹部会出现的深色垂直线。妊娠线为咖啡色,宽约一公分,一般会沿着腹部中线,从耻骨延伸到肚脐,不过有些也会延伸到肚脐的上方。妊娠线是因为胎盘产生的促
  • 下流话下流话是使用图形文字意像在性交之前和期间以提高性快感的做法。这是爱抚的一部分。下流话可以包括生动的色情描述、黄色笑话、性命令和脏话。这可以是对情人所说的悄悄话,亦
  • 旅游地理学旅游地理学是研究人类旅行游览与地理环境关系的一门学科。旅游地理学不仅同地理学的许多分支学科的关系密切,而且与多门学科彼此渗透。如:社会学、民俗学、考古学、历史学、建
  • 低温生物学低温生物学是研究生物在低温下的变化,是生物学的一门分枝。一般会研究生命器官在低温或低于正常温度的变化、影响及状态。研究范围包括蛋白质, 细胞, 生物组织等。