輕子與電弱力

夸克的弱味改變(weak flavor change)

夸克有六種類型,或稱六種味:上、下、粲、奇、頂、底。多數時候,夸克的味是固定的——強交互作用和電磁力從不改變它。弱交互作用是唯一能把一種味的夸克變成另一種味的交互作用,而正是這唯一的本領,造就了幾乎所有放射性衰變,也決定了重夸克最終如何碎裂成更輕的夸克。

它通過帶電的 W 玻色子來實現。當一個夸克放出或吸收一個 W 時,它必須變成另一種味以平衡電荷,因為 W 帶走了一個單位的電荷。一個下夸克(電荷 -1/3)可以放出一個 W 而變成上夸克(電荷 +2/3),這正是貝塔衰變中發生的事。同樣的機制讓奇夸克變成上夸克、底夸克變成粲夸克,等等。重夸克總是通過這種方式向更輕的夸克跌落,直到抵達上夸克或下夸克,它們再沒有更輕的去處。

這裡有一個微妙之處,結果意義深遠。弱交互作用偏好把一個夸克變成同一代裡的夥伴(下變上、奇變粲),但它也能跨代變換,只是沒那麼頻繁。這些偏好的模式,被一張數字表格捕捉下來,叫做 CKM 矩陣。研究這些變味的速率,正是物理學家發現弱交互作用還能微妙地區分物質與反物質(CP 破壞)的途徑,而這正是為什麼我們的宇宙根本由物質構成的關鍵之一。

孤立的中子之所以會衰變,根源就是一次微小的變味:它內部的一個下夸克放出一個 W、變成上夸克,從而把中子變成質子。每一種把一個元素變成另一個元素的放射性,都可以追溯到弱交互作用像這樣調換夸克的味。

只需一次「下變上」的變味,就能把中子變成質子。

與 W 不同,在標準模型中 Z 玻色子根本不改變夸克的味;變味中性流在極好的近似下是被禁止的,一旦發現它們,就預示著新物理。

又稱
quark flavor changing夸克变味夸克變味