弱相互作用理论

2018-03-19 00:39

原子核内粒子的弱相互作用导致了原子核的不稳定性,同时控制着原子核的衰变或放射性,被称为β衰变。1933年,费米建立的β衰变理论把粒子间的相互作用延伸到弱相互作用,从而开辟了弱相互作用的研究。当时,费米的弱相互作用理论在低能情况下非常成功,但在高能状况下该理论并不完全适用。

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  1954年,华裔美国科学家杨振宁(1922- )(右图左)和米尔斯(Robert L.Mills,1927-1999)(右图右)提出了著名的杨-米尔斯理论,将电磁场的局域规范对称推广到非阿贝尔群,但非线性的规范场当时并没有在实验中观察到。
  

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1956年之前,科学家们认为物理定律应分别服从C(电荷)、P(宇称)和T(时间)的对称。C对称指对于粒子和反粒子定律相同;P对称指对于任何情景和它的镜像定律不变;T对称指对于前进或后退的时间方向定律相同。
  1956年,华裔美国科学家李政道(1926- )(左图)、杨振宁在分析最轻的奇异粒子衰变时遇到了难题,提出弱作用下宇称(P)可能不守恒的假说。这个假说1957年被吴健雄等人的实验及其他实验证实。这些实验同时也证实了在弱作用下电荷共轭宇称不守恒。这一发现促使人们注意到弱相互作用和电磁相互作用之间有某种共同点,从而进一步考虑两者之间的统一性。不久,确立了描述弱作用的流在洛伦兹变换下应当具有的

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  形式,而且适用于所有的弱作用过程,被称为普适费米型弱相互作用理论。
  美国科学家格拉肖(Sheldom Lee Glashow,1932-)(右图)是最早涉足弱力和电磁力统一研究领域的。弱力的强度只有电磁力的千分之一,它们是完全不同的两种自然力。
  1961年,格拉肖提出:弱力和电磁力的虽然似乎没有相似之处,但可以从用数学方式对这两种自然力的描述中看出它们在某些方面的相似性,弱力和电磁力的统一并不是没有可能的。格拉肖巧妙地运用"规范场"的方法 (应用了杨-米尔斯理论),搭起了统一弱力和电磁力的框架。但格拉肖无法解释的是:弱力的作用非常微小,传递弱力的粒子却很重,它的质量约为质子质量的几十倍到百倍。为何"传递子"具有那么巨大的质量呢?

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  美国科学家温伯格(Steven Weinberg,1933-)(左图)在研究自然力的统一问题时也遇到了同样的问题。他注意到英国物理学家赫格斯在一篇论文中的论述:利用真空的某些性质

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可使本来没有质量的规范场获得质量。温伯格受到很大启发,运用这种思路在1967年成功地把弱力和电磁力统一起来。与此同时,巴基斯坦科学家萨拉姆(Abdus Salam,1926-1996)(右图)的研究也获得了类似的结果。他阐明了作为规范场粒子是可以有静止质量的,计算出这些静止质量同弱作用耦合常数以及电磁作用耦合常数的关系。
  温伯格和萨拉姆的理论只适用于一类基本粒子,有一定的局限性。1970年,格拉肖将这一概念作了推广,证明了

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  亚核粒子的某种数学性质(称之为粲)能够将电磁力和弱力之间的这种联系推广到所有的基本粒子。
  弱电统一理论中预言了弱中性流的存在,即在反应过程中入射粒子和出射粒子之间没有电荷交换,但当时实验上并没有观察到弱中性流的现象。1973年,美国费米实验室和欧洲核子中心在实验中相继发现了弱中性流(左图),弱电统一理论引起了重视。
  

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弱电统一理论认为:弱力和电磁力实际上是同一种力——电弱力的不同表现。验证这一理论,需要在实验中寻找产生弱作用传播子W±和Z0,这就要求:对撞的粒子必须具有足够高的能量,以便有可能产生重质量粒子W±和Z0;碰撞的次数必须足够多,才会有机会观测到极为罕见的特殊情况。鲁比亚(Carlo Rubbia,1934-)(右图左)和范德梅尔(Simon Van Der Meer,1925-)(右图右)分别在发现弱作用传播子W±和Z0的大规模实验方案中所起了决定性的作用。

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  鲁比亚建议将欧洲核子中心(CERN)最大的质子同步加速器(SPS)作为正反质子的储存环(左图)。质子束和反质子束在储存环中沿相反方向作环形运动,然后在特定位置相互碰撞。在SPS存储环的周边上安排有两个碰撞点,碰撞点周围装有巨大的探测系统,可以记录碰撞生成的粒子的信息,从而进行寻找弱作用传播子W±和Z0(也称为中间玻色子)的实验。
  范德梅尔提出了随机冷却的方法,可以使粒子束得到“冷却”提高束流密度,进而提高对撞机的亮度,使实验发现W±和Z0粒子成为可能。
  1983年1月20-21日,在欧洲核子中心的质子-反质子对撞机上工作的两个实验组分别宣布发现了特性与弱电统一理论所期待的完全相符的(W±)。由于产生Z0的机会要比产生W±的机会小10倍,在花费4个月时间后想办法将加速器束流的亮度提高了10倍。1983年5月4日,鲁比亚的实验组终于找到了Z0的第一个事例。W±和Z°粒子的发现及其性质最终确定了弱电统一理论的正确性,对揭示弱作用本质有重大意义。
  弱电统一理论使现存的四种基本相互作用实现了部分统一。尽管弱电统一理论距离爱因斯坦所设想的包括引力场在内的统一场论还很远,但终究使人类在揭示自然奥秘的征途中又前进了一大步。

 

(粒子物理及其发展轨迹:)