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。