求真百科歡迎當事人提供第一手真實資料,洗刷冤屈,終結網路霸凌。

W及Z玻色子檢視原始碼討論檢視歷史

事實揭露 揭密真相
前往: 導覽搜尋
W及Z玻色子

中文名: W及Z玻色子

所屬科目: 物理學

作 用: 負責傳遞弱核力

發現時間: 1983年

W及Z玻色子,在物理學中,W 及 Z 玻色子是負責傳遞弱核力的基本粒子。它們於 1983年在歐洲原子能研究中心(CERN)被發現的。這次發現被認為是粒子物理中的標準模型的一大勝利。

產品介紹

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。

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(Z0)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3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 80.4 GeV,而 Z 則為 91.2 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。

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 Sheldon Glashow、Steven Weinberg 和 Abdus Salam 因此得到 1979年的諾貝爾物理學獎(見)。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(Gauge theory)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。它預言了一種尚未發現的新粒子 —— 希格斯玻色子。

SU(2) 測量儀理論、電磁力和希格斯機制三者的組合稱為 Glashow-Weinberg-Salam 模型。它是廣泛接受為標準模型的一大支柱。至 2003年為止,標準模型未被實驗證實的預言只有希格斯玻色子。

發現

W 和 Z 粒子的發現是 CERN 引以自豪的。首先,於 1973年,弱電理論預言了中性流作用;那時 Gargamelle 的氣泡室攝得一些電子突然自行移動的軌跡。這些被詮釋為中微子通過交換隠形的 Z 玻色子與電子互相作用。因中微子是測不到的,故只有電子的動量改變可測。

以 W 和 Z 粒子要到一強勁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(SPS),其中 Carlo Rubbia 和 Simon van der Meer 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 Rubbia 主導)和「UA2」,且實為很多人努力的成果。Van der Meer 是負責加速器(隨機冷卻)的。UA1 和 UA2 在幾個月後(1983 年五月)找到 Z 粒子。Rubbia 和 van der Meer 因而得到 1984年的諾貝爾物理學獎(見)。這算是保守的諾貝爾獎成立以來最異常的一步。

超出標準模型的新物理

理論中的「錯誤」

去年,費米實驗室的另一個結果也引起整個物理學界的沸騰,也是因為實驗結果與標準模型理論預測有差別(不過還沒有得到5個σ)。對於理論中的這種「錯誤」,為什麼大家如此興奮呢?

因為這意味着超出標準模型的新物理!

自從十年前希格斯粒子被發現後,標準模型的框架可以說已經搭建完成了,而且也取得了非常輝煌的成就。那麼下一步該怎麼發展呢?

正所謂成也蕭何敗蕭何,標準模型雖然取得了很大的成功,但是還有很多事情解釋不了:

中微子質量問題:標準模型中的中微子質量是嚴格為零的,但是目前的實驗已經表明,三代中微子的質量不可能都是為零;

暗物質:天文觀測暗示了暗物質的存在,那麼暗物質對應的粒子到底是什麼呢?

暗能量:導致宇宙加速膨脹的暗能量來自哪裡呢?

正反物質不對稱:宇宙中只有正物質,而沒有反物質(組成宏觀物體的大量反物質聚集),但是在宇宙之處,正反物質應該是等量產生的,那是什麼原因導致在宇宙演化的過程中,反物質消失了呢?

希格斯粒子:雖然希格斯粒子已經被發現,但是希格斯粒子的細節還不清楚,甚至還不知道希格斯粒子是不是基本粒子都不清楚

再往大了說,要想統一四種相互作用,對標準模型的擴充是一定的!但是任何理論上的發展,都需要實驗作為指導。原則上來說,理論只需要做到邏輯自洽就可以,不同的理論得到的結果可以千差萬別,甚至在有的領域,可以說人手一個理論(模型)。[1]

參考來源