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王 清 扬 中国科学院大学在读博士生 一条在理论物理的大海中溺水的咸鱼 研究方向：极早期宇宙、粒子宇宙学、暗物质理论 爱好科普 在知乎著有专栏【咸鱼的粒子物理入门】 接上周一的核子、强子与夸克 今天我们介绍弱相互作用
弱相互作用也是原子核尺度上的一种短程相互作用，它的发现源于人们对原子核  衰变的研究。 衰变最早被认为是原子核放出一个电子的过程。1914年查德威克发现在 衰变的过程中原子核损失的能量并不等于放出的电子带走的能量，1927年更高精度的实验也确认了这一结果。这一度使得人们对能量守恒定律产生了怀疑。然而，泡利却不相信能量不守恒，他认为可能有一个质量极小的中性费米子伴随电子一起被放射出来，带走了一部分能量，这个假设的粒子后来被人们称为“中微子”。由于中微子实在太微小了，也不带电荷，以至于它被提出20多年后（1956年）才被实验直接探测到，但这不影响1930-1956年这段时间人们对它以及它所参与的相互作用的理论研究。 话说回来，随着1932年原子核里面的中子被发现，人们开始意识到原子核的 衰变其实是这样的一个过程：
也就是说原子核里的中子  衰变成了一个质子  、一个电子  以及一个（反）中微子  。这显然是由一种不同于电磁or强相互作用的新的相互作用造成的，因为它涉及到不带电的粒子，且可以测定它的强度比电磁or强相互作用都要弱很多，也是出于这个原因人们把这种新的相互作用称为“弱相互作用”。需要注意的是，弱相互作用没法像经典的电磁力或引力那样简单地用吸引或排斥去描述，想要理解它，必须要依靠它的拉氏量。 正如我们之前一直强调的，研究一种相互作用的量子理论，最重要的事情就是写出写出这个物理系统的拉氏量中的 （忘记的同学再去复习复习本节的第一部分_(:з)∠)_）。从前面的 衰变反应方程式可以看到，这个由弱相互作用造成的反应过程前后涉及到4个自旋1/2的费米子（ 、 、 、 ），于是最简单的想法就是把它们4个对应的费米场直接乘在一起：
这种四费米子通过直接耦合来进行弱相互作用的猜想由费米在1934年提出，被称为弱相互作用的费米理论。费米理论同样可以用费曼图形象地表示出来，如下图所示，它的意义见图注。 图3 用费曼图表示弱相互作用的费米理论。(a)费米理论的相互作用顶点，可以看到四个费米子耦合在一起；(b)可以用这个相互作用顶点直接表示β衰变的过程，可以看到一个中子衰变成了一个质子+一个电子+一个（反）中微子。（要注意，图中的红色箭头才是粒子的动量方向，黑色箭头是费米子流方向。）费米理论的 具有一种被叫做空间反射不变性的对称性，这意味着费米理论预言在弱相互作用的过程中存在一种守恒律——宇称守恒。然而，在50年代人们却搞出了一个大新闻：弱作用下宇称其实是不守恒的！！！这个想法源于所谓的“ - 疑难”：在粒子物理实验中发现了两个强子 和 ，它们质量、电荷、自旋都一样，但是它们通过弱作用衰变的过程中表现出的宇称却是相反的。于是在1956年杨振宁和李政道提出： 和 其实是同一个粒子，它们通过弱作用衰变表现出宇称不一样，是因为弱作用下宇称根本就不守恒！这个想法第二年就被吴健雄等人的实验验证，由此人们意识到弱相互作用的费米理论是有很大局限性的，我们需要一个存在宇称破坏的 ！ 1956-1958年，费曼、盖尔曼等人提出一个新的弱相互作用理论——V-A理论。这一理论可以解释实验上发现的宇称不守恒，但它也存在很多问题，比如不可重整（不能通过重整化方法消除计算中的无穷大）以及破坏概率守恒。同一时期，李政道、杨振宁和施温格也提出了一种新的弱相互作用理论——中间玻色子理论。他们猜想弱作用应当像电磁相互作用的QED以及强相互作用的汤川理论一样，费米子之间的相互作用都应该通过交换一个中间玻色子进行（如QED中两电子通过交换虚光子相互作用，汤川理论中两核子通过交换 介子相互作用），而不是让这些费米子直接耦合在一起。中间玻色子理论在一定程度上缓解了概率守恒的破坏，但是它依然不可重整，所以依然不是一个自洽的弱作用理论。由于V-A理论和中间玻色子理论的 比较复杂，这里就不写了，感兴趣的读者可以参考李灵峰《量子场论》第10.2节，以及肖振军 吕才典《粒子物理学导论》第8.1节。 总的来说，60年代之前人们没能构造出完整描述粒子间强or弱相互作用的理论，似乎人们已经走进了迷雾森林，前方一片混沌。细心的读者可能会发现，之前我们写到谁谁提出啥啥理论的时候，用的都是“猜想”这个词。也就是说60年代之前人们提出各种的 都是根据实验结果和一些简单的对称性猜出来的，并没有一个普遍的构造 的方法。这是否暗示着，如果我们想得到能正确描述基本粒子间强or弱相互作用的 ，就必须要有某种构造 的系统性方法？大家可以先歇歇眼睛，顺便点个关注点个赞╰(￣ω￣ｏ)，休憩过后我们向着微观世界发起最后的冲锋~
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