【深造物理】弱作用力是甚麼？跟宇稱不守恆有甚麼關係？
其實太陽發出的光，或在醫院看到正電子斷層掃描(PET)的圖像，其背後其實都離不開一股世界上最不張揚、但極關鍵的自然基本互動——弱作用力(weak interaction)。名字雖然叫「弱」，但它牽動了宇宙中許多最精細的機制：從太陽的能量來源、原子核中放射性衰變、到反映世界手性(chirality)偏好的宇稱不守恆(parity violation)。這篇文章會帶你走進弱作用力的核心，並且連結到現代粒子物理的最前沿。
四種基本作用力中的「低調高手」
自然界已知的四種基本作用力是：重力(gravity)、電磁作用力(electromagnetism)、強作用力(strong interaction)與弱作用力(weak interaction)。多數人對重力和電磁很熟悉：重力讓你站在地上，電磁讓燈亮、手機上網；強作用力把原子核黏緊。而弱作用力雖然平時不易察覺，卻是改變粒子種類(風味，flavor)的唯一門徑，特別是在放射性β衰變(beta decay)與中微子(neutrino)反應中扮演關鍵角色。
| 作用力 | 媒介粒子 | 作用距離 | 典型現象 |
|---|---|---|---|
| 重力 | 引力子(假想，graviton) | 無限遠 | 天體運行、落體 |
| 電磁 | 光子(photon) | 無限遠 | 電力、磁力、化學鍵 |
| 強作用力 | 膠子(gluon) | 極短(核子尺度) | 束縛夸克、穩定原子核 |
| 弱作用力 | W±、Z⁰玻色子(boson) | 極短(約10^-18 m) | β衰變、中微子交互作用 |
弱作用力到底「弱」在哪裡？
「弱」不是指能量一定小，而是指在低能量尺度下的有效作用強度和作用距離都很短。弱作用力的傳遞者是帶質量很大的W±與Z⁰玻色子(約80 GeV與91 GeV，GeV是能量單位)，由於有質量，它們無法像無質量的光子一樣遠距離傳遞，因此弱作用的影響只在極短尺度內才明顯。能量越高，弱作用的行為越接近電磁作用，這是電弱理論(electroweak theory)的核心精神之一。
電弱理論：對稱、混合與希格斯機制
現代物理用規範理論(gauge theory)來描述作用力。電弱理論的對稱群是SU(2)_L × U(1)_Y，其中「L」表示只作用於左手性(left-handed)粒子；「Y」是弱超荷(hypercharge)。透過自發對稱性破缺(spontaneous symmetry breaking)，希格斯場(Higgs field)在真空中取得非零真空期望值，令三個規範玻色子獲得質量，成為W+、W-、Z0，留下無質量的光子，對稱群也由SU(2)_L × U(1)_Y「破缺」為電磁的U(1)_em。
直觀比喻：把希格斯場想像成擁擠的房間。光子像不被注意的貴賓，穿梭自如，沒有「質量」阻礙；W與Z像會被人群纏住的名人，走起來很「費力」，因此帶有質量，行動(傳遞作用)也受限，距離短。
- 弱混合角(Weinberg angle, θ_W)：描述W3與B這兩種場如何混合成Z0與光子。實驗上在Z0質量尺度，sin²θ_W 約為0.231。
- 費米常數(Fermi constant, G_F)：低能量下弱作用的有效強度，約為1.166×10^-5 GeV^-2，與W質量和耦合常數(g)有固定關係。
媒介粒子：W與Z的性格
W±與Z⁰的壽命極短，大約3×10^-25秒，這使得弱作用像「貼身」才發生得了的互動。W±負責帶電流(charge current)的轉換，例如把中子內部的下夸克(d quark)轉成上夸克(u quark)，同時放出一個電子與反中微子，形成β-衰變。Z⁰則負責中性流(neutral current)的相互作用，例如中微子和電子的散射，沒有電荷交換，但會改變動量與能量。
弱作用力最「反直覺」的一面：宇稱不守恆
在日常尺度，我們常以為自然定律對左右手是對稱的。但弱作用力打破了這點。1956年，吳健雄(Chien-Shiung Wu)領導的實驗證實了弱作用的宇稱不守恆(parity violation)：弱作用只偏愛左手性粒子和右手性反粒子。這意味著世界在最根本的規則上帶有「偏手性」。這種V–A(向量減軸向，vector minus axial vector)結構，讓弱作用成為理解基本對稱與其破缺的窗口。
弱作用的招牌案例
- β衰變(beta decay)：原子核中的中子可透過弱作用變為質子，放出電子與反電子中微子。這是核反應堆的關鍵過程，也使得自然界存在豐富的放射性核素。
- 電子擄獲(electron capture)：原子核捕捉內層電子，使質子變成中子與電子中微子，常見於某些醫學同位素的衰變鏈。
- μ子(muon)衰變：μ子平均壽命約2.2微秒，透過弱作用衰變為電子與兩個中微子。這是測量G_F的經典系統。
- 中微子(neutrino)散射與振盪(oscillation)：中微子幾乎不與物質作用，穿透力極強，但在巨大探測器內仍能偶爾留下痕跡。中微子振盪證明中微子有質量，這已超出標準模型的原始框架。
太陽為何能長久發光：弱作用的節奏控制
太陽的能量主要來自核融合(nuclear fusion)，特別是質子-質子鏈(p–p chain)。開場的第一步是兩個質子融合，其中一個質子要透過弱作用變成中子，才能形成氘核。這一步非常慢，正因如此，太陽才不會「一下子」把燃料燒光，而能穩定發光約數十億年。若弱作用力明顯更強，太陽可能會更快、更猛烈地燃燒，地球上的生命也未必有充裕時間演化。
從香港看世界：近在身邊的弱作用實驗
弱作用雖難「抓」，但我們設計了巧妙的實驗方法。例如：靠近香港的大亞灣反應堆中微子實驗(Daya Bay)成功測量了中微子混合角θ13，這對理解中微子振盪至關重要；日本的超級神岡(Super-Kamiokande)觀測到大氣中微子與太陽中微子，首次提供強而有力的中微子振盪證據；當1987年超新星SN 1987A爆發時，來自遙遠星系的中微子在地球上被探測到，再次印證弱作用在宇宙事件中的核心角色。
風味改變、混合矩陣與CP破壞
弱作用能改變夸克的「風味」(flavor)。這在數學上由CKM矩陣(Cabibbo–Kobayashi–Maskawa matrix)描述，三代夸克之間的混合帶來了CP破壞(CP violation)，即在時間反演下，物質與反物質的行為並不完全對稱。這種細微的不對稱被認為與宇宙中為何物質略多於反物質有關。雖然標準模型(Standard Model)內的CP破壞存在，但理論與宇宙學推算顯示其強度不足以解釋今天的物質主導宇宙，這也是前沿研究的動力之一。
中性流、GIM機制與稀有衰變
1973年，CERN的Gargamelle泡泡室發現了中性流(neutral current)，證實Z⁰主導的弱作用模式。為避免快速的風味改變型中性流(FCNC)與實驗觀測矛盾，GIM機制(Glashow–Iliopoulos–Maiani mechanism)預言並需要額外的夸克(例如粲夸克c)，使FCNC在低能量下被壓抑。今天，我們透過觀測極其罕見的衰變(如某些K介子與B介子過程)來測試這些抑制的精確程度，進一步尋找超越標準模型的新物理。
弱作用的「手性」：只跟左手做朋友
弱作用只耦合於左手性粒子與右手性反粒子，這在數學上稱為手徑性(chirality)或弱同位旋(weak isospin)的選擇性。電子、μ子、τ子與其對應的中微子在左手部分形成弱同位旋雙重態(doublet)。右手電子等則是同位旋單重態(singlet)，不與W耦合。這種結構是宇稱不守恆的根源，也與希格斯如何給費米子(fermion)產生質量息息相關。
醫療、能源與地球探測：弱作用的應用面
- 醫療影像：PET使用正電子發射(beta+)，雖然最終探測的是湮滅後的光子，但放射性核素的產生與衰變屬弱作用範疇。
- 碳十四定年(Carbon-14 dating)：宇宙射線製造的放射性碳-14透過β衰變，考古學家能測定文物年齡。
- 核反應堆與監測：反應堆內大量β衰變放出反中微子。大型中微子探測器可遠距監測反應堆活動，有助核安與非擴散。
- 地球物理：地球內部衰變產生的地球中微子(geoneutrino)能讓我們「透視」地球深部放射性熱源。
別被名字騙了：弱作用在高能不弱
在高能量碰撞(例如大型強子對撞機LHC)下，電弱作用的耦合強度跑動(running)到與電磁作用相當，這就是電弱「統一」(unification)在實驗上的體現之一。W、Z的直接產生、以及希格斯粒子(Higgs boson)的衰變道中帶有W或Z，都是我們檢驗電弱理論的舞台。精密實驗如LEP、Tevatron和LHC對W、Z質量、寬度與弱混合角等量的測量，能敏銳地捕捉新物理的蛛絲馬跡。
中微子質量與新物理的線索
標準模型原版假設中微子無質量，但實驗證實中微子振盪，意味它們必有非零質量。這暗示了標準模型之外的機制，例如西梭機制(seesaw mechanism)引進重右手中微子，讓可見的中微子質量變得微小。是否存在惰性(惰性=不參與弱作用)的「惰性中微子」(sterile neutrino)？是否會出現帶電輕子味變化(如μ→eγ)？這些都在持續被實驗追索。
幾個常見迷思
- 「弱=沒用」：錯。太陽的穩定發光、放射性醫療與年代測定，都離不開弱作用。
- 「弱作用只發生在核內」：不只。μ子衰變、中微子散射都與弱作用有關，且可在核外世界觀察。
- 「弱作用永遠很弱」：在高能量下，電弱耦合變強，現代對撞機能直接產生W、Z與希格斯，顯示弱作用一點也不「弱」。
用數字感受弱作用的尺度
- W質量約80 GeV、Z質量約91 GeV；壽命皆約3×10^-25秒。
- μ子壽命約2.2微秒，是測試低能弱作用的經典系統。
- sin²θ_W 在Z質量附近約0.231，會隨能量尺度跑動。
- 弱作用的典型作用距離約10^-18米，遠短於原子核尺寸(約10^-15米)。
歷史脈絡：從費米到電弱統一
- 1930年代：費米(Fermi)提出四費米相互作用的有效理論，成功描述β衰變。
- 1956–57年：吳健雄實驗證實宇稱不守恆，李政道、楊振寧提出理論解釋，改寫對稱性的教科書。
- 1960年代末：格拉肖(Glashow)、溫伯格(Weinberg)、薩拉姆(Salam)建立電弱理論，預言W、Z存在。
- 1973年：CERN發現中性流。
- 1983年：UA1/UA2實驗發現W、Z，驗證電弱理論核心。
- 1990–2000年代：LEP等提出高精度測量，繪出電弱參數的「標準圖譜」。
- 2012年：LHC發現希格斯粒子，完成電弱對稱破缺的關鍵拼圖。
直觀比喻與日常連結
- 信差比喻：光子像單車快遞(無質量、跑很遠)，W/Z像背著重背包的人(有質量、只能短距離)，所以弱作用距離短。
- 左手門禁：弱作用像辦公樓的左手拍卡門禁，左手的員工能通行(左手性粒子耦合)，右手員工就得走其他門(不與W耦合)。
- 太陽的節拍器：弱作用把核融合的第一步變慢，像節拍器控制演奏速度，讓太陽「穩定演出」。
前沿與未來：弱作用的問與答
- 電弱精密測試：弱混合角在低能量的偏差、原子宇稱不守恆(atomic parity violation)測量，都可對新物理施壓。
- 罕見衰變：K與B介子的稀有通道對CKM與GIM機制進行更嚴苛的檢驗。
- 中微子部門：質量排序(正序或反序)、CP相位、是否存在惰性中微子，都是下一代實驗(如JUNO、DUNE、Hyper-K)的重點。
- 宇宙學連結：弱相互作用在早期宇宙決定中微子解耦、元素核合成比率，與今天宇宙微波背景與輕元素豐度的觀測一致性密切相關。
結語：世界偏了一點，才有我們的宇宙
弱作用力教我們，宇宙並非在所有意義下都對稱：它偏愛左手，它讓粒子改頭換面，它在太陽核心慢條斯理地推動核融合。名字雖然低調，但弱作用是現代物理的關鍵支柱之一，也是人類理解自然規則的突破口。從香港出發，我們不必走遠：反應堆中微子、醫療影像、考古定年，都在說明弱作用如何深深嵌入我們的生活與宇宙。當你再次沐浴在陽光下，不妨想起那個在原子核深處輕聲細語、卻讓宇宙長久明亮的主角——弱作用力。
