w玻色子

W玻色子是因弱核力的“弱”（Weak）字而命名的。

基本介紹

• 中文名：w玻色子
• 類型：基本粒子
• 時間：1983年
• 地點：歐洲原子能研究中心

簡介

在物理學中，W及Z玻色子（boson）是負責傳遞弱核力的基本粒子。它們是1983年在歐洲核子研究組織發現的，被認為是粒子物理標準模型的一大勝利。

W玻色子是因弱核力的“弱”（Weak）字而命名的。而Z玻色子則半幽默地因是“最後一個要發現的粒子”而名。另一個說法是因Z玻色子有零（Zero）電荷而得名。

基本性質

W玻色子有兩種，分別有 +1（W）和−1（W）單位電荷。W是W的反粒子。而Z玻色子（Z）則為電中性的，且為自身的反粒子。這三種粒子皆十分短命，其半衰期約為秒。

這些玻色子在各種基本粒子之中屬重型的一類。W的質量為80.399 ± 0.023 GeV，而Z則為91.1876 ± 0.0021 GeV。它們差不多是質子質量的一百倍——比鐵原子還要重。玻色子的質量是十分重要的，因其限制了弱核力的相用範圍。相對地，電磁力的相用範圍無限遠因為光子無質量。

弱相互作用

W和Z玻色子是傳遞弱相互作用的媒介粒子，就像光子是傳遞電磁相互作用的媒介粒子一樣。W玻色子在核衰變過程中擔任一個重要的角色。以鈷-60的β衰變為例，

此反應在超新星和中子彈爆炸時是非常重要的。可是它並不需牽涉到整個鈷核子，而只是它33個中子其中之一。此中子在衰變期間轉變成一個質子、電子（又叫β粒子）和反電中微子：

但中子和質子都只是夸克的組合（中子是“上下下”，質子是“上上下”）。中子的一粒下夸克在β衰變中受弱相互作用的影響而變成上夸克：

故弱相互作用可改變夸克的“味道”（參閱費米子）。而所發出的W粒子迅速衰變成電子和反電中微子：

因Z玻色子是自己的反粒子，故它的所有量子數皆為零。交換Z玻色子是一個中性流作用（Neutral current interaction），而接收和發出玻色子的粒子除動量外什麼也沒變。要觀測中性流作用需要在粒子加速器和粒子偵察器上作很大的投資，故目前世界上只有幾所高能物理實驗室擁有這些儀器。

W和Z玻色子的預測

於1950年代量子電動力學的空前成功後，科學家希望為弱核力建立相似的理論。於1968年，這個論調在統一電磁力和弱核力後達到高潮。提出弱電統一的謝爾登·格拉肖、史蒂文·溫伯格和阿卜杜勒·薩拉姆因此得到1979年的諾貝爾物理學獎。他們的弱電理論不止假設了W玻色子的存在來解釋β衰變，還預測有一種未被發現的Z玻色子。

W和Z玻色子有質量，而光子卻沒有——這是弱電理論發展的一大障礙。這些粒子現時以一個SU(2)規範理論來精確描述，但理論中玻色子必定無質量。譬如，光子無質量是因為電磁力能以一個U(1)規範理論解釋。某些機制必須破壞SU(2)的對稱來給予W和Z玻色子的質量。其中一個解釋是由彼得·希格斯於1960年代晚期提出的希格斯機制。它預言了一種新粒子——希格斯玻色子(現今此粒子已被證實存在了)。

SU(2)測量儀理論、電磁力和希格斯機制三者的組合稱為格拉肖-溫伯格-薩拉姆模型。它是目前廣泛接受為標準模型的一大支柱。

W和Z玻色子的發現

W和Z粒子的發現是歐洲核子研究組織的主要成就之一。首先，於1973年，實驗觀察到了弱電理論預測的中性流作用；那時加爾加梅勒的氣泡室拍攝到有一些電子突然自行移動的軌跡。這些觀測結果被詮釋為中微子藉由交換沒有軌跡的Z玻色子與電子互相作用。由於中微子是偵測不到的，因此實驗中只能看到電子因著互動作用而造成的動量改變。

W和Z粒子要到能量夠高的粒子加速器建立後才正式被發現。第一部這樣的加速器是超級質子同步加速器，其中卡洛·魯比亞和西蒙·范德梅爾在1983年一月進行的一連串實驗給出了明顯的W粒子證據。這些實驗稱作“UA1”（由魯比亞主導）和“UA2”，且為眾多人合作的努力成果。范德梅爾是加速器方面的驅策者（隨機冷卻）。UA1和UA2在幾個月後（1983年五月）找到Z粒子。很快地魯比亞和范德梅爾因而得到1984年的諾貝爾物理學獎，這可算是保守的諾貝爾獎基金會自成立以來相當不尋常迅速的一次。