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弱力衰變:粒子的身份危機

發布時間:2025-10-24閱讀(4)

在上一篇文章中談到了弱力只與特定自旋的粒子相互作用。在這篇文章中,我想談談粒子通過弱力衰變的方式。

在量子世界中存在三種已知的力, 它們是強力、弱力和電磁力。每種力都由一個或多個稱為玻色子的粒子傳遞。 對于強力,這個粒子就是膠子;對于弱力,它們是W和Z玻色子;對于電磁力,它是光子。因此,讓我們看看當一個粒子發射另一個粒子時會發生什么。

如果一個頂夸克發射一個光子,它會繼續作為一個頂夸克,粒子在發射期間不會改變其身份。在電磁相互作用之前和之后,粒子是相同的。現在讓我們看看在強相互作用過程中會發生什么。同一個頂夸克可能會放出一個膠子,并繼續作為頂夸克。因為膠子帶有色荷,所以頂夸克會改變顏色,比如從紅色變為藍色。這里的關鍵點在于,膠子發射前后的粒子是同一個粒子。(www.wS46.com)

接著,讓我們看看當發生由弱力控制的粒子發射時會發生什么?傳遞弱力的粒子有兩種:W和Z玻色子。先看看發射Z玻色子的情況,當頂夸克發射 Z 玻色子時,它仍然是頂夸克。但是當頂夸克發射出一個W粒子時,會發生一些非常不同的事情。在發射之前,我們有一個頂夸克,在發射之后,我們看到一個底夸克和一個W玻色子。

弱力改變了粒子的身份,這種行為是弱力所獨有的。除了頂夸克之外,底夸克也可以發射 W 玻色子并形成粲夸克,粲夸克可以發射W玻色子并形成奇夸克或下夸克。在輕子方面,τ輕子可以發射W玻色子并產生τ中微子;μ子通過發射W玻色子并產生μ子中微子。

夸克和輕子可以通過多種方式改變它們的味道,但只有當涉及到弱力并且只有發射W玻色子時才會發生。那么,為什么只有與W玻色子的相互作用才能改變味道?為什么Z玻色子就不行呢? 讓我們探討一下。

Z玻色子的電荷為零,這意味著當它被發射時,發射粒子不能改變其電荷。頂夸克、粲夸克和上夸克都具有相同的電荷,具體來說是2/3,而底夸克、奇夸克和下夸克也都具有相同的電荷,這次電荷為-1/3。三個輕子τ、μ子和電子都帶有-1的電荷。

前面說過頂夸克發射Z玻色子并保持其味道是可以的,這對所有其他粒子也是如此。但是對于像頂夸克發射Z玻色子并變成粲夸克這樣的情況,好像也沒有違反什么定律,這似乎是可能的。 科學家們為此起了個名字,稱之為味道改變中性流(FCNC),因為粒子身份改變了但電荷不變。

那么FCNC是否被觀察到?并沒有,1970年,Sheldon Glashow、John Illiopolous和Luciano Maiani 能夠證明,如果夸克成對出現(一個電荷為 2/3,另一個電荷為-1/3),味道改變中性流是被禁止的。

由于在標準模型中基本上不可能出現改變味道的中性流,因此有一些科學家一直在尋找它們。如果觀察到它們,那就是發現超出標準模型的新事物。不幸的是,到目前為止,還沒有足夠的運氣發現它們。

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