輕子與電弱力
弱交互作用為什麼弱(what makes the weak force weak)
把弱交互作用稱為「弱」,自然會引出一個問題:和什麼相比弱?為什麼弱?令人意外的答案是:弱交互作用本身並不孱弱。當兩個粒子貼得極近、幾乎重疊時,弱耦合的基本強度其實與電磁力相仿。它的弱,幾乎完全在於「夠不著」,而不在於力氣本身。
關鍵在於它的信使的質量。力靠交換粒子來傳遞,而沉重的信使跑不遠。量子理論允許力的載體短暫借用能量來存在,但它越重,要借的能量就越多,能存活的時間和距離就越短。W 和 Z 玻色子極重——約為質子質量的 86 倍和 97 倍——所以弱交互作用在大約千分之一個質子寬度之後就消散殆盡。兩個粒子必須靠得近到幾乎不可能,弱交互作用才能插上話。相比之下,傳遞電磁力的光子沒有質量,因而作用距離無限。
這解釋了很多現象。在日常生活的低能量下,粒子很少能靠得近到讓弱交互作用起作用,所以它看上去微弱得近乎消失,依賴它的過程(比如放射性衰變)也很慢。但把能量大幅提高——比如恆星內部或對撞機中——粒子就能靠得足夠近,弱交互作用便顯露出它真正的強度,表現得與電磁力旗鼓相當。這種趨同,正是兩者其實是同一個電弱交互作用「喬裝打扮」的第一條線索。
比較一下作用距離:光子沒有質量,所以電磁力可以穿過整個房間。W 玻色子大約和一個鍶原子的原子核一樣重,所以弱交互作用在大約千分之一個質子寬度之外就消失了。近處強度相當,作用距離卻天差地別。
載體沉重、作用範圍極小:這就是弱交互作用看似微弱的全部秘密。
弱交互作用在低能量下弱,是因為載體質量大;而那質量本身來自希格斯機制,那是另一個獨立的話題。
又稱
另見