性质

图为标准模型中六种夸克的电荷与质量分布，以及各种衰变路线，线的虚实代表该衰变发生的可能。

弱相互作用有如下的数项特点：

唯一能够改变夸克味的相互作用。

唯一能令宇称不守恒的相互作用。因此它也是唯一违反CP对称的相互作用。

由具质量的规范玻色子所介导的相互作用。这一不寻常的特点可由标准模型的希格斯机制得出。

由于弱相互作用载体粒子（W及Z玻色子）质量很大（约 90 GeV/c ），所以他们的寿命很短：平均寿命约为 3 × 10 秒 。弱相互作用的耦合常数（相互作用强度的一个指标）介乎10 与10 之间，而相比下，强相互作用的耦合常数约为1 ，故就强度而言，弱相互作用是弱的 。弱相用作用的作用距离很短（约为10 –10 m ） 。在大约10 米的距离下，弱相互作用的强度与电磁大约一致；但在大约3×10 的距离下，弱相互作用比电磁弱一万倍 。

在标准模型中，弱相互作用会影响所有费米子，还有希格斯玻色子；弱相互作用是除引力相互作用外唯一一种对中微子有效的相互作用 。弱相互作用并不产生束缚态（它也不需要束缚能），而引力、电磁力和强核力则分别会在天文、原子、原子核的尺度下产生束缚态 。

它最明显的过程是由第一项特点所造成的：味变。比方说，一个中子比一个质子（中子的核子拍档）重，但它不能在没有变味（种类）的情况下衰变成质子，它两个“下夸克”中的一个需要变成“上夸克”。由于强相互作用和电磁相互作用都不允许味变，所以它一定要用 弱相互作用 ；没有弱相互作用的话：夸克的特性，如奇异及魅（与同名的夸克相关），会在所有相互作用下守恒。因为弱衰变的关系，所以所有介子都不稳定 。在β衰变这个过程下，中子里面的“下夸克”，会发射出一个虚 W − 玻色子，它随即衰变成一电子及一反电中微子 。

由于玻色子的大质量，所以弱衰变相对于强或电磁衰变，可能性是比较低的，因此发生得比较慢。例如，一个中性π介子在通过电磁衰变时，寿命约为10 秒；而一个带电π介子的通过弱核力衰变时，寿命约为10 秒，是前者的一亿倍 。相比下，一个自由中子（通过弱相互作用衰变）的寿命约为15分钟 。

弱同位旋与弱超荷

弱同位旋（T 3 ）是所有粒子都拥有的一种性质（量子数），决定了粒子在弱相互作用下该如何反应 。对于弱相互作用来说，弱同位旋的作用跟电磁相互作用中的电荷，或者是强相互作用中的色荷一样。所有费米子的弱同位旋均为+ ⁄ 2 或- ⁄ 2 ，例如上夸克的弱同位旋为+ ⁄ 2 ，而下夸克的弱同位旋则为- ⁄ 2 。另一方面，在弱衰变的前后，夸克的T 3 永远是不一样的。也就是说，T 3 = + ⁄ 2 的上型夸克（上、粲(魅)及顶），在弱衰变后必须变为T 3 = − ⁄ 2 的下型夸克（下、奇及底），反之亦然。

通过弱相互作用衰变的 π + 介子

弱同位旋是守恒的：反应产物的弱同位旋总和，等于反应物的弱同位旋总和。例如，一左手π + 介子，弱同位旋为+1，一般衰变成一ν μ（+ ⁄ 2 ）及一μ +（+ ⁄ 2 ，因为是右手反粒子） 。

在电弱理论中，粒子有一种新的性质，称为弱超荷。它的数值由粒子的电荷及弱同位旋决定：

其中 Y W 为粒子的弱超荷， Q 为电荷（以基本电荷为单位）及 T 3 为弱同位旋。弱超荷是U(1)部分生成元的规范群 。

对称破缺

左手及右手粒子：p为粒子的动量，而S则为其自旋。注意两个态中并没有反射对称。

长久以来，人们以为自然定律在镜像反射后会维持不变，镜像反射等同把所有空间轴反转。也就是说在镜中看实验，跟把实验设备转成镜像方向后看实验，两者的实验结果会是一样的。这条所谓的定律叫宇称守恒，经典引力、电磁及强相互作用都遵守这条定律；它被假定为一条万物通用的定律 。然而，在1950年代中期，杨振宁与李政道提出弱相互作用可能会破坏这一条定律 。吴健雄与同事于1957年发现了弱相互作用的宇称不守恒 ，为杨振宁与李政道带来了1957年的诺贝尔物理学奖 。

尽管以前用费米理论就能描述弱相互作用，但是在发现宇称不守恒及重整化理论后，弱相互作用需要一种新的描述手法。在1957年罗伯特·马沙克与 乔治·苏达尚 （ 英语 ： E. C. George Sudarshan ） ，及稍后理查德·费曼与默里·盖尔曼 ，提出了弱相互作用的 V−A （矢量V减轴矢量A或左手性）拉格朗日量。在这套理论中，弱相互作用只作用于左手粒子（或右手反粒子）。由于左手粒子的镜像反射是右手粒子，所以这解释了宇称的最大破坏。有趣的是，由于 V−A 开发时还未有发现Z玻色子，所以理论并没有包括进入中性流相互作用的右手场。

然而，该理论允许复合对称 CP 守恒。 CP 由两部分组成，宇称 P （左右互换）及电荷共轭 C （把粒子换成反粒子）。1964年的一个发现完全出乎物理学家的意料，詹姆斯·克罗宁与瓦尔·菲奇以K介子衰变，为弱相用作用下CP对称破缺提供了明确的证据，二人因此获得1980年的诺贝尔物理学奖 。小林诚与益川敏英于1972年指出，弱相互作用的CP破坏，需要两代以上的粒子 ，因此这项发现实际上预测了第三代粒子的存在，而这个预测在2008年为他们带来了半个诺贝尔物理学奖 。跟宇称不守恒不一样，CP破坏的发生概率并不高，但是它仍是解答宇宙间物质反物质失衡的一大关键；它因此成了安德烈·萨哈罗夫的重子产生过程三条件之一 。

相互作用类型

弱相互作用共有两种。第一种叫“载荷流相互作用”，因为负责传递它的粒子带电荷（W + 或 W −），β衰变就是由它所引起的。第二种叫“中性流相互作用”，因为负责传递它的粒子，Z玻色子，是中性的（不带电荷）。

载荷流相互作用

上图为一β 衰变的费曼图，一中子衰变成质子、电子及电中微子各一，衰变的中间产物为一粒重的 W − 玻色子。

在其中一种载荷流相互作用中，一带电荷的轻子（例如电子或μ子，电荷为−1）可以吸收一W + 玻色子（电荷为+1），然后转化成对应的中微子（电荷为0），而中微子（电子、μ及τ）的类型（代）跟相互作用前的轻子一致，例如：

同样地，一下型夸克（电荷为− ⁄ 3 ）可以通过发射一 W − 玻色子，或吸收一 W + 玻色子，来转化成一上型夸克（电荷为+ ⁄ 3 ）。更准确地，下型夸克变成了上型夸克的量子叠加态：也就是说，它有着转化成三种上型夸克中任何一种的可能性，可能性的大小由CKM矩阵所描述。相反地，一上型夸克可以发射一 W + 玻色子，或吸收一 W − 玻色子，然后转化成一下型夸克：

由于W玻色子很不稳定，所以它寿命很短，很快就发生衰变。例如：

W玻色子可以衰变成其他产物，可能性不一 。

在中子所谓的β衰变中（见上图），中子内的一下夸克，发射出一虚 W − 玻色子，并因此转化成一上夸克，中子亦因此转化成质子。由于过程中的能量（即下夸克与上夸克间的质量差）， W − 只能转化成一电子及一反电中微子 。在夸克的层次，过程可由下式所述：

中性流相互作用

在中性流相互作用中，一夸克或一轻子（例如一电子或μ子）发射或吸收一中性Z玻色子。例如：

跟W玻色子一样，Z玻色子也会迅速衰变 ，例如：

电弱理论

在粒子物理学的标准模型描述中，弱相互作用与电磁相互作用是同一种相互作用的不同方面，叫弱电相互作用，这套理论在1968年发表，开发者为谢尔登·格拉肖 、阿卜杜勒·萨拉姆 与史蒂文·温伯格 。他们的研究在1979年获得了诺贝尔物理学奖的肯定 。希格斯机制解释了三种大质量玻色子（弱相互作用的三种载体）的存在，还有电磁相互作用的无质量光子 。

根据电弱理论，在能量非常高的时候，宇宙共有四种无质量的规范玻色子场，它们跟光子类似，还有一个复矢量希格斯场双重态。然而在能量低的时候，规范对称会出现自发破缺，变成电磁相互作用的U (1)对称（其中一个希格斯场有了真空期望值）。虽然这种对称破缺会产生三种无质量玻色子，但是它们会与三股光子类场融合，这样希格斯机制会为它们带来质量。这三股场就成为了弱相互作用的 W + 、 W − 及Z玻色子，而第四股规范场则继续保持无质量，也就是电磁相互作用的光子 。

虽然这套理论作出好几个预测，包括在Z及W玻色子发现前预测到它们的质量，但是希格斯玻色子本身仍未被发现。欧洲核子研究组织辖下的大型强子对撞机，它其中一项主要任务，就是要生产出希格斯玻色子 。 2013年3月14日，欧洲核子研究组织发布新闻稿，正式宣布探测到新的粒子，即希格斯玻色子。

参考资料

大众书籍

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科学书籍

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