弱场可以以带正电荷的虚“弱粒子”的形式带走夸克中的正电荷。然而,虚粒子不会长久存在,它很快就会衰变,并且把能量转移到正电子和中微子场中,从而使电荷数与轻子数守恒。我们可以这样解释上夸克变成下夸克:
从下往上读,先从上夸克开始。上夸克与弱场耦合,产生了带正电的弱粒子(W+),而自身变成了下夸克。
带正电的弱粒子随即衰变,产生了一个普通的中微子(用字母ν表示)和一个正电子(如图,电子e上有一个短横),使电荷守恒。相反的过程也会发生,只是W+粒子变成W-粒子。
你可能正在给弱场粒子想一个很酷的名字,与光子和胶子相对,但恐怕到这个时候所有科学家都觉得有些无聊了,他们很悲剧性地称之为“W粒子”:带正电的叫W+,带负电的叫W-。
粒子需要一种属性才能与弱场耦合,并激发出W粒子,这种属性叫“弱同位旋”,它有两种,+1/2和-1/2。夸克、轻子和中微子都有弱同位旋,但它们的耦合常数很低,我们极少看到这种影响。
但是,以埃尔温·薛定谔的猫的幽灵之名,中微子相碰时会发生什么?它们都有弱同位旋,这意味着它们之间能产生虚粒子。这不可能通过W+和W-的相互作用产生,因为中微子不带电。一定还存在第三个不带电的弱粒子,谢尔顿·格拉肖把它命名为“Z粒子”,我猜“Z”代表零(zero)电荷。
1973年和1983年,Z粒子和W粒子在瑞士的加尔加梅勒探测器上被发现。[加尔加梅勒(Gargamelle)这个名字来自弗朗索瓦·拉伯雷(Fran?oisRabelais)的小说《巨人传》(TheLifeofGargantuaandofPantagruel)中的巨人,而不是《蓝精灵》(TheSmurfs)中无能的坏蛋格格巫(Gargamel)。]
Z粒子和W粒子的发现证实了中微子的行为和弱场的存在,再一次证明了诺特的对称性定理是正确的。现在你可能已经知道了,量子力学就像来自地狱的魔方,一旦拼好一面,就立刻搅乱其他几面。
完全无用的想法
量子场论涉及两种物体:物质粒子(夸克、电子、中微子)和相互作用的场粒子(光子、胶子、W粒子和Z粒子)。
物质粒子统称为“费米子”,拥有空间等属性;传递力的粒子统称为“玻色子”,能够相互重叠。
你的身体由费米子(电子和夸克)构成,因此你占据一定的体积。而一束光由玻色子(更确切地说是光子)构成,这就是手电筒的光能相互穿过,而不像激光剑那样相互碰撞的原因。在这方面,玻色子令人失望。
当粒子与弱场相互作用时,电荷会发生变化,所以很明显,弱场和电磁场是耦合的。早期关于弱场的量子场论叫“量子味动力学”(QFD),但由于弱场和电磁场能相互交流,因此关于光子和弱场相互交流的完整理论叫“电弱理论”,它为史蒂文·温伯格、阿卜杜勒·萨拉姆和谢尔顿·格拉肖赢得了诺贝尔奖。私下里我把这种理论叫“量子电弱动力学”,首字母缩写是QEWD。
这是个非常对称的理论,但这种优雅也是它的最大缺陷,因为光子场和弱场是截然不同的。
W粒子和Z粒子只有短程作用,而光子可以持续传播。弱核力需要三种不同的粒子,而电磁力只需要一种。最大的对称性破缺在于:W粒子和Z粒子有质量,而光子没有质量。这不是我们所期望的能传递力的、能重叠的玻色子,所以一定有某种东西打破了光子场和弱场之间的对称性。
20世纪60年代中期,罗伯特·布绕特、弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯分别独立地想出了相同的解决方案。他们建议保留这种电弱对称性,方法与泡利解决轻子对称性一样:增加一种新的场/粒子。
他们认为,在宇宙的诞生之初,在创世的摇曳之刻,电磁场和弱场是相同的,但还有第三种场隐匿在背景之中,当这种场“开启”的时候,一切都改变了。