弱力與電磁力的統(tǒng)一理論走向統(tǒng)一的自然力 弱力和電磁力的統(tǒng)一 (Ⅲ)

弱力與電磁力的統(tǒng)一理論走向統(tǒng)一的自然力弱力和電磁力的統(tǒng)一(Ⅲ)

3.費米的矢量相互作用如上所述，在確定弱力物理本質(zhì)的過程中，費米在其“uf062衰減理論”中首先指出，弱力和電磁力是向量相互作用的。經(jīng)過許多科學(xué)家近30年的實驗和理論研究,終于證明了弱力確實是矢量相互作用。費米的這一想法,后來被費曼和蓋爾曼進(jìn)一步推廣為守恒矢量流理論,并最終導(dǎo)致溫伯格、格拉肖和薩拉姆建立了弱力與電磁力的統(tǒng)一理論。這一講,我們介紹這兩個理論及其實驗驗證。(1)費米型相互作用耦合常數(shù)的修正新的疑難:實驗上發(fā)現(xiàn),uf062衰變中的矢量耦合常數(shù)gVuf062不僅在所有超允許0+→0+躍遷中有驚人的相同。而且與uf06d衰變中費米型相互作用耦合常數(shù)guf06d也幾乎一樣,誤差不超過1%~2%。這種極好的一致,本來正是普適費米相互作用所要求的。但是,進(jìn)一步考慮卻出現(xiàn)了新的疑難。因為核子不同于uf06d子,它可以發(fā)射或吸收虛uf070介子,因此在它的周圍好像包著一層介子云。這層介子云對核子的uf062衰變必然要產(chǎn)生影響,那么,為什么包著介子云的核子會與裸uf06d子有相同的弱作用呢?這顯然是一個令人困惑的問題?；蛐浜屯恍貞B(tài)矢量流為了解決這個疑難,費曼和蓋爾曼對照電磁學(xué)理論提出了守恒矢量流(CVC)假說。在右圖(a)中,我們看到:在電磁躍遷中,由于電荷守恒,物理質(zhì)子、裸質(zhì)子和uf070介子云與電磁場相互作用的耦合常數(shù)都是e,也就是說,包著介子云的物理質(zhì)子和裸質(zhì)子與電磁場的相互作用是相同的。由連續(xù)性方程可以知道:電荷守恒意味著電流的散度等于零,也就是說,電流是無散流或守恒流。從圖中可以看到,電流是由裸質(zhì)子和uf070介子云貢獻(xiàn)的,嚴(yán)格地講,應(yīng)稱為電磁流。對照下圖(a)和(b),可以看到:在uf062衰變中,情況是類似的:只要由裸中子和uf070介子云貢獻(xiàn)的弱矢量流是守恒流,包著uf070介子云的物理中子就會與裸中子有相同的弱矢量相互作用,這就是費曼和蓋爾曼提出的CVC假說。進(jìn)一步,費曼和蓋爾曼又對CVC假說加以發(fā)展,引入同位旋三重態(tài)來統(tǒng)一地描述uf062±躍遷和電磁躍遷,提出了同位旋三重態(tài)矢量流假說。同位旋這個概念是海森伯于1932年首先引入的1,鑒于質(zhì)子和中子的質(zhì)量以及它們在原子核中的性質(zhì)十分相似,海森伯認(rèn)為可以把它們看作是同一種粒子——核子的兩種不同的荷電狀態(tài),并引入同位旋來描述核子的這兩種電荷態(tài)。同位旋,與自旋類似,也是一個抽象空間中的物理量,通常用符號T表示。以核子為例,其同位旋,它在上述抽象空間中某一特定方向上的投影TZ可取兩個值:+1/2(“向上”或“同向”)和-1/2(“向下”或“反向”),它們分別對應(yīng)于核子的兩種電荷態(tài):質(zhì)子和中子。后來,在粒子物理中,同位旋得到了更為廣泛的應(yīng)用。例如,uf070介子有三種電荷態(tài):uf070+、uf0700和uf070-,它的同位旋T=1,其投影TZ有三個值:+1、0和-1,分別對應(yīng)于上述三種電荷態(tài),稱為同位旋三重態(tài);又如,η介子只有單個電荷態(tài):η0,它的同位旋及其投影都為0,稱為同位旋單態(tài)。費曼-蓋爾曼同位旋三重態(tài)矢量流假說,就是把電磁躍遷中的電磁矢量流和uf062±衰變中的弱矢量流,看作是同位旋三重態(tài)矢量流的三個分量:其中,ψN和?p分別為核子和π介子的波函數(shù);τ和T分別為核子和π介子的同位旋矢量:,▽為梯度算符?？梢杂赏恍貞B(tài)矢量流守恒給出弱矢量流守恒,但是應(yīng)當(dāng)注意,僅僅弱矢量流守恒和電荷守恒并不意味著同位旋三重態(tài)矢量流守恒。順便指出:無論是守恒矢量流假說,還是同位旋三重態(tài)矢量流假說,都只涉及弱作用的矢量耦合部分,軸矢流并不守恒。因為如果軸矢流也守恒,那么uf070uf0aeuf06d+uf06euf06d和uf070uf0aee+uf06ee這兩個弱衰變過程就不可能發(fā)生,而這是與實驗事實相矛盾的。12uf062a對于電磁作用,雖然uf070介子云引起的修正并不改變耦合常數(shù)(即電荷e),但是它可以明顯地改變核子的磁矩。在物理上,這是由于裸uf070介子具有較小質(zhì)量而攜帶較大的磁矩的緣故,核子反常磁矩正是因此而產(chǎn)生的。根據(jù)CVC理論,在uf062衰變中也應(yīng)有類似的反常磁矩項,蓋爾曼稱其為弱磁項。由于弱磁項的存在,uf062能譜的庫里標(biāo)繪將會偏離直線性。因此,通過實驗測量這種偏離便可驗證理論的預(yù)言。作為一個例子,蓋爾曼建議測量12B和12N的uf062±衰變能譜。從下圖可以看到,12B的基態(tài)、12C的能量為15MeV的激發(fā)態(tài)和12N的基態(tài)正好組成一個同位旋三重態(tài)(同位旋T=1,TZ分別為-1、0、1,自旋和宇稱JP=1+)。它們通過發(fā)射uf062-、uf067和uf062+粒子躍遷到12C的基態(tài)(T=0,TZ=0,JP=0+)。考慮到弱磁項的存在,uf062±衰變的能譜可以寫成其中PW(W0-W)2為給出直線性庫里標(biāo)繪的統(tǒng)計因子;為譜形因子,a±可由理論算出:CVC理論給出的結(jié)果是不考慮uf070介子云修正的費米,兩者明顯不同。因此,通過實驗測量a±便可知道哪一種理論更正確。但是,由于譜形因子與1相差極小,做這樣的實驗測量是很困難的。1962年,梅耶-庫庫克(T.Mayer-kuckuk)和米歇爾(F.C.Michel)首先測量了12B和12N的uf062能譜,得到a-=(+1.82±0.08)%(MeV)-1、a+=(+0.52±0.20)%(MeV)-1和a--a+=(1.30±0.31)%(MeV)-1。雖然他們得到的a--a±值與CVC理論預(yù)言值(1.10±0.17)%(MeV)-1符合得甚好,但是a±值與CVC理論預(yù)言值符合得并不好。隨后吳健雄等在1963年用他們的無鐵中間聚焦磁譜儀,更精確地測量了這兩個uf062能譜,結(jié)果得到a-=(+0.55±0.10)%(MeV)-1,a+=(-0.52±0.06)%(MeV)-1,a--a+=(1.07±0.24)%(MeV)-1,與CVC理論的預(yù)言值符合得極好,從而成功地驗證了CVC理論。還有一些其他實驗,例如uf070+→uf0700+e++uf06ee絕對衰變幾率的測量和8Li、12B的uf062-uf061角關(guān)聯(lián)的測量等,它們的實驗結(jié)果也都支持CVC理論。另外,這個實驗還告訴我們:uf062±躍遷和電磁躍遷確實可用同位旋三重態(tài)來統(tǒng)一描述?？ū炔┓?2)弱電統(tǒng)一理論及其實驗驗證高能粒子的推廣在低能情況下,普適(V-A)費米相互作用可以很好地解釋uf062衰變和uf06d衰變等弱作用過程。在引入卡比博角后,又可以很好地解釋奇異粒子的半輕子衰變過程。但是,當(dāng)將其推廣到高能情況時,就遇到了很大的困難。首先,是在一些計算中出現(xiàn)了無窮大,而且這些無窮大不能像在電磁作用理論中那樣可以通過重整化消除掉。其次,用它算出的輕子散射截面不符合從幾率守恒要求推算出的結(jié)果,即破壞所謂的幺正性條件。w是一種質(zhì)量很強(qiáng)的粒子為了克服這些困難,李政道和楊振寧對照核力的湯川理論(該理論認(rèn)為:核子之間的相互作用——核力是通過介子來傳遞的),提出4費米子弱作用是通過中間玻色子W±來傳遞的,這里W取自英文“Weak(弱)”字的打頭字母。在核力介子理論中,為了解釋核力的短程性,傳遞核力的介子不同于傳遞電磁力的光子,必須具有靜止質(zhì)量,而且就因其靜止質(zhì)量介于質(zhì)子與電子之間,故而得名。鑒于弱力幾乎是直接作用,即力程極短,因此,W±應(yīng)是質(zhì)量很大的粒子。在對有關(guān)的實驗事實進(jìn)行分析以后,李、楊提出:W±是一種帶電的自旋為1的矢量粒子,壽命很短,質(zhì)量很大。因此,在低能極限下,相互作用力程與粒子的德布羅意波長相比可以忽略不計,于是便可以回到不需要通過第三者來傳遞的普適(V-A)費米相互作用。但是,由于W±的質(zhì)量太大,估計為30GeV/c2<MWuf0b1<300GeV/c2,因此,在當(dāng)時的實驗條件下,很難觀察到。弱電統(tǒng)一理論前面已經(jīng)講過,費米提出uf062衰變理論與費曼和蓋爾曼提出CVC理論時,都將4費米子弱作用與電磁作用作了類比,這反映了這兩種作用非常相似。但是,它們的耦合方式不一樣。4費米子弱作用,即普適(V-A)費米相互作用是直接作用,而電磁作用是通過電磁場來傳遞的。李、楊的中間玻色子理論的提出消除了這一差別,使人們猜測弱作用和電磁作用可能像電和磁一樣,是一種作用的兩種表現(xiàn),它們的原始耦合常數(shù)可能是一樣的,只是中間傳遞粒子的質(zhì)量不一樣,才在低能時顯示出不同的力程和強(qiáng)度。這種猜測促使美國物理學(xué)家格拉肖(1961年)和溫伯格(1967年),巴基斯坦物理學(xué)家薩拉姆(1968年)分別獨立地提出了弱電統(tǒng)一理論。考慮到CVC理論中統(tǒng)一描述uf062±躍遷和電磁躍遷的同位旋三重態(tài)滿足SU(2)群的對稱性,以及電磁流中不僅包含同位旋三重態(tài)的分量而且包含同位旋單態(tài),他們認(rèn)為:可以應(yīng)用楊振寧和米爾斯于1954年提出的規(guī)范場理論,選用SU(2)uf0c4U(1)作為規(guī)范群,來統(tǒng)一地描述弱作用和電磁作用。按照楊振寧和米爾斯的定義,與這種規(guī)范群相應(yīng)的4個規(guī)范場的量子是沒有靜止質(zhì)量的,都不能作為弱作用的中間玻色子。因此,溫伯格和薩拉姆又進(jìn)一步引入希格斯機(jī)制2使這4個規(guī)范場重新組合成3個有靜止質(zhì)量的規(guī)范場,其場量子為中間玻色子W±和Z0,和一個沒有靜止質(zhì)量的規(guī)范場——電磁場,其場量子為光子。這樣,他們便統(tǒng)一地描述了弱作用和電磁作用。溫伯格和薩拉姆的弱電統(tǒng)一理論預(yù)言,中間玻色子W±和Z0的質(zhì)量分別約為:83GeV/c2和93GeV/c2。由于這些中間玻色子的質(zhì)量太大,當(dāng)時世界上所有的加速器的能量都不足以產(chǎn)生它們,因此實驗上沒有能夠立即發(fā)現(xiàn)。但是,由于弱電統(tǒng)一理論不僅預(yù)言存在李、楊提出的中間玻色子W±,而且預(yù)言存在一種新的中間玻色子Z0,因此,只要找到交換Z0的中性流反應(yīng),例如:e+uf06euf06d→e+uf06euf06d、uf06d-+uf06ee→uf06d-+uf06ee和n+uf06e→n+uf06e等,便可檢驗理論的預(yù)言。這是因為,在這些反應(yīng)中,實驗測量不到的中間過程,即Z0粒子產(chǎn)生和(或)衰變的過程(見下圖),是不必要求能量守恒的,因此反應(yīng)前兩個粒子的總能量也就不必一定要大于Z0粒子的靜止能量。1973年,在歐洲核子研究中心的一個實驗組利用龐大的重液泡室和能量為28GeV的加速器所產(chǎn)生的中微子束流,找到了中性流反應(yīng):e+uf06euf06d→e+uf06euf06d的第一個事例,從而間接地證明了Z0的存在,驗證了理論的預(yù)言。另外,弱電統(tǒng)一理論還預(yù)言,在正負(fù)電子對撞機(jī)的實驗中,既可以通過電磁作用產(chǎn)生uf06d+uf06d-對,也可以通過弱作用產(chǎn)生uf06d+uf06d-對(見右圖)。因此,通過實驗觀察這兩種反應(yīng)之間的弱電干涉現(xiàn)象也可以檢驗理論的預(yù)言。1978年,在美國斯坦福直線加速器中心由泰勒領(lǐng)導(dǎo)的實驗組作了一個縱向極化電子在氚核上散射的實驗,得到了與弱電統(tǒng)一理論預(yù)言相符合的實驗結(jié)果,再次證實了弱電統(tǒng)一理論的正確性。中性流的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致溫伯格、格拉肖和薩拉姆因?qū)θ蹼娊y(tǒng)一理論作出貢獻(xiàn)而共同獲得了1979年度的諾貝爾物理學(xué)獎。應(yīng)當(dāng)指出:格拉肖獲獎,是因為他首先提出弱電統(tǒng)一理論,并預(yù)言了中性流存在,但是他的理論未能解決中間玻色子沒有靜止質(zhì)量的問題,后來溫伯格和薩拉姆的理論解決了這個問題。因此,弱電統(tǒng)一理論應(yīng)當(dāng)是格拉肖、溫伯格和薩拉姆共同的研究成果。中間玻色子發(fā)現(xiàn)機(jī)制為了能夠直接觀測到中間玻色子W±和Z0,必須提高加速器的能量。有人建議,將歐洲核子研究中心的270GeV質(zhì)子同步加速器改造成質(zhì)子-反質(zhì)子對撞機(jī),使其質(zhì)心能量提高到540GeV,以便產(chǎn)生這樣重的粒子。這項工程由意大利物理學(xué)家魯比亞和荷蘭物理學(xué)家范德梅爾等人負(fù)責(zé)實施。由于反質(zhì)子在自然界里不能自然地產(chǎn)生,而且產(chǎn)生以后也極易與質(zhì)子發(fā)生湮滅反應(yīng),因此要得到高強(qiáng)度的反質(zhì)子束是很困難的。歐洲核子研究中心的反質(zhì)子束是在另一臺加速器(PS)上產(chǎn)生的,產(chǎn)生后的反質(zhì)子束被存儲在一個特制的儲存環(huán)中,這個儲存環(huán)就是由范德梅爾負(fù)責(zé)建造的。他借鑒蘇聯(lián)西伯利亞核子研究所在1974~1976年間試驗成功的“電子冷卻”技術(shù),提出了“隨機(jī)冷卻”方法,解決了約束并提高反質(zhì)子束流強(qiáng)度的難題。所謂“電子冷卻”,就是利用電子流,通過碰撞,來減弱質(zhì)子、反質(zhì)子或其他重離子束流中粒子的不規(guī)則運動,降低束流的“溫度”?！半S機(jī)冷卻”,則是通過測量確定粒子束流的重心線,然后再用校正(或冷卻)裝置的電場使重心線逐漸恢復(fù)到設(shè)計軌道上去,總的效果是減少粒子束在加速過程中的橫向發(fā)散度和能散度,以提高束流密度,進(jìn)而提高對撞機(jī)的亮度。1980年,范德梅爾領(lǐng)導(dǎo)的小組建成了反質(zhì)子儲存環(huán),使實現(xiàn)質(zhì)子反質(zhì)子對撞進(jìn)而實驗發(fā)現(xiàn)W±和Z0粒子成為可能。1981年10月,歐洲核子研究中心的質(zhì)子-反質(zhì)子對撞機(jī)(SPS)投入運行。兩束粒子在質(zhì)子系中的能量高達(dá)540GeV/c2,使實驗上發(fā)現(xiàn)中間玻色子W±和Z0成為可能。1983年1月20~21日