弱電統一能量

弱電統一能量

弱相互作用的第一個理論是費米在1934年建立起來的中子β衰變理論。費米認為,在β衰變過程中,中子變成了質子,同時中微子變成電子。由於弱作用的力程太短了,所以費米假定這四個粒子是在同一點發生相互作用的。

簡介

大約為100GeV的能量,達到此能量,電磁力與弱力之間的差別消失

WZ弱玻色子的來源及哀變圖WZ弱玻色子的來源及哀變圖

電子-正電子對撞機是尋找新粒子的最好的工具。可惜的是,到70年代末,已建成的e+e-對撞機中最大能量的是歐洲的PETRA,它能達到的最高能量只有38Ge

V,遠遠低於所需要的能量。當時運行的質子加速器,最大的有兩台,一台是在美國費米實驗室,最高能量是500GeV,另一個是西歐中心(CERN)的SPS,其最高能量為450GeV。表面上看,這兩個能量值都比所預言的W和Z的質量高得多,似乎是可用的,但其實不然。原因是這兩台機器都是把質子加速去轟擊固定的靶中的質子。一方面,高速運動的質子束流與固定的靶質子碰撞時,很大的一部分能量要轉化成靶質子的功能;另一方面,質子與質子碰撞產生新粒子靠的是質子中的組分夸克之間的相互作用,它們僅能分得質子總能量的一部分、所以有效的能量其實是很小的。費米實驗室的質子加速器的有效的能量最高只有32GeV,而SPS不超過30GeV,因此都遠遠低於所需要的能量。
西歐中心(CERN)當時正在設計能量為100GeV的電子正電子對撞機LEP,它無疑是最理想的。但它要到八十年代末才能建成,CERN的實驗家魯比亞不甘心等待。這是一場激烈的競賽,拖延時間意味著會有更多的人能搶先得到發現這些重要粒子的榮譽。
1976年,魯比亞(C.Rubbia)等開始探索一條捷徑。到1981年他們成功地把超級質子加速器SPS改造成了270GeV×270GeV的一台質子與反質子的對撞機。其後實驗家們又經過一年多的努力,使亮度提高了一百多倍。1982年底,UA1組得到了140000個碰撞事例,經過計算機篩選,終於找到了5個事例可以確認為W粒子的產生。能量為81±5GeV,與理論預言完全一致。W粒子終於被他們找到了。不久,UA2組也找到了四個事例,質量與UA1組的結果完全一致。1983年1月25日,他們正式發布了關於發現W粒子的訊息。同年的5月份,6個Z0粒子產生的事例也被魯比亞發現。6月份,找到Z0粒子的訊息正式公布於眾。它們的質量也完全符合理論預言。由於這兩項重要的發現,魯比亞於1984年得到了諾貝爾物理獎

W+, W-, Z0弱玻色子-內部結構模型圖W+, W-, Z0弱玻色子-內部結構模型圖

弱電統一理論

弱電統一理論中預言了弱中性流的存在,即在反應過程中入射粒子和出射粒子之間沒有電荷交換,但當時實驗上並沒有觀察到弱中性流的現象。1973年,美國費米實驗室和歐洲核子中心在實驗中相繼發現了弱中性流(左圖),弱電統一理論引起了重視。

弱電統一場圖弱電統一場圖

弱電統一理論認為:弱力和電磁力實際上是同一種力——電弱力的不同表現。驗證這一理論,需要在實驗中尋找產生弱作用傳播子W±和Z0,這就要求:對撞的粒子必須具有足夠高的能量,以便有可能產生重質量粒子W±和Z0;碰撞的次數必須足夠多,才會有機會觀測到極為罕見的特殊情況。

弱電統一理論使現存的四種基本相互作用實現了部分統一。儘管弱電統一理論距離愛因斯坦所構想的包括引力場在內的統一場論還很遠,但終究使人類在揭示自然奧秘的征途中又前進了一大步。

格拉修

1979年諾貝爾物理學獎獲得者。因為他同薩拉姆弱溫伯格創立了基本粒子中的弱電統一理論:輕子和(或)反輕子之間通過光子和3箇中間玻色子和相互作用。整個理論是Su(2)×U(1)對稱的,通過對稱性自發破缺,對稱性破缺到只剩下對應於電荷的U(1)對稱性。殘留的U(1)對稱性對應的電磁場分量仍無質量,表現為光子;破缺掉的對稱性所對應的3個規範場分量則獲得質量,成為3箇中間玻色子。

溫伯格

溫伯格溫伯格

溫伯格由於對弱電統一理論的貢獻,與格拉修、薩拉姆共獲1979年諾貝爾物理學獎。弱電統一理論的概念是1957年由施溫格首倡的。他的學生格拉修於1961年為弱電統一理論選擇了正確的對稱性,SU(2)×U(1),引進了中性的中間玻色子Z^0。溫伯格是格拉修中學和大學的同學,他同薩拉姆於1967年分別獨立提出中間玻色子依靠希格斯機制獲得質量。

希格斯場圖希格斯場圖

相關詞條

相關搜尋

熱門詞條

聯絡我們