電弱理論是粒子物理標準模型的核心支柱之一，它成功地將電磁相互作用與弱相互作用統一為單一的基本理論。
1. 核心概念：什麼是電弱理論？
顧名思義，電弱理論就是電磁力與弱核力的統一理論。
電磁力：我們熟悉的力，負責光、化學、原子結構等現象。其傳播子是光子。
弱核力：負責β衰變等過程，能改變夸克的「味」，是太陽核融合和許多放射性現象的關鍵。其傳播子是W⁺、W⁻ 和 Z⁰ 玻色子。
在高能量下（> 100 GeV），例如宇宙大爆炸後不久，這兩種力是不可區分的，它們是同一種「電弱力」的不同表現。而在低能量下，它們通過一種稱為希格斯機制的過程分開，表現出截然不同的性質。
2. 關鍵特性與對稱性破缺
電弱理論的基礎是對稱性和對稱性自發破缺。
a. 規範對稱性
電弱理論是一個規範場論，其對稱群是 SU(2)_L × U(1)_Y。
SU(2)_L：代表弱同位旋。下標 L 表示它只作用於左手性的費米子（如左手夸克、左手輕子）。這解釋了弱力的一個關鍵特徵：宇稱不守恆（它區分左手和右手）。
U(1)_Y：代表弱超荷。這裡的「Y」是弱超荷，與我們熟悉的電荷不同。
這四個生成元對應於四個規範玻色子：
SU(2)_L 的三個生成元 → W¹, W², W³ 玻色子。
U(1)_Y 的一個生成元 → B 玻色子。
此時，所有這些玻色子都是無質量的。
b. 希格斯機制與對稱性自發破缺
在高能量下，SU(2)_L × U(1)_Y 對稱性保持完整。但在低能量下，這個對稱性通過希格斯機制被自發破缺到 U(1)_EM。
希格斯場：理論引入了一個複值標量場——希格斯場，它在真空中的期望值不為零。
對稱性破缺：當宇宙冷卻，希格斯場在真空中找到了一個穩定的非零值。這個過程「選擇」了一個特定的方向，破壞了原始的對稱性。
後果：
規範玻色子獲得質量：W¹, W², W³ 和 B 玻色子與希格斯場發生相互作用，它們重新組合，形成了我們觀測到的有質量的傳播子：
W±=(W1∓iW2)/2 → 帶電的弱玻色子。
Z0=cosθWW3−sinθWB → 中性的弱玻色子。
γ=sinθWW3+cosθWB → 光子，保持無質量。
其中 θW 是溫伯格角，一個重要的混合參數。
費米子獲得質量：通過與希格斯場的湯川耦合，夸克和輕子也獲得了質量。
希格斯玻色子產生：希格斯場的量子激發就是希格斯玻色子，於2012年在LHC被實驗發現，完成了電弱理論的最後一塊拼圖。
破缺過程總結：
SU(2)_L × U(1)_Y → U(1)_EM
（對應於電磁力，其生成元是電荷 Q，傳播子是無質量的光子）
3. 傳播子與力的比較
破缺後，我們有了四種傳播子，對應兩種不同的力：
| 特性 | 電磁力 | 弱力 |
|---|---|---|
| 傳播子 | 光子 | W⁺, W⁻, Z⁰ 玻色子 |
| 質量 | 0 | W⁺/W⁻: ~80.4 GeV/c², Z⁰: ~91.2 GeV/c² |
| 力程 | 長程（無限） | 極短程（~10⁻¹⁸ m），因為傳播子質量很大 |
| 相互作用對象 | 帶電荷的粒子 | 帶弱同位旋的粒子（所有費米子） |
| 作用類型 | 不改變粒子種類 | 能改變夸克味和輕子族（例如，中子衰變中，d夸克變u夸克） |
4. 實驗驗證與重要性
電弱理論是當今最精確驗證的物理理論之一。
中性流的發現：理論預言了由Z⁰玻色子媒介的、不改變電荷的弱相互作用過程（例如，νμ+e−→νμ+e−）。1973年在CERN首次觀察到，是第一個決定性證據。
W和Z玻色子的發現：1983年在CERN的SPS質子-反質子對撞機中被直接發現，其質量與理論預測高度一致。
希格斯玻色子的發現：2012年由LHC的ATLAS和CMS合作組宣布發現，質量約為125 GeV/c²。
精確測量：在LEP、SLC等對撞機上對Z⁰玻色子性質的測量以極高的精度驗證了理論的預言。
總結
電弱理論是一個革命性的框架，它將電磁力和弱力統一為單一的電弱力。其核心在於通過希格斯機制實現的對稱性自發破缺，這解釋了為什麼W和Z玻色子有質量而光子沒有，以及為什麼弱力的力程如此之短。它與量子色動力學共同構成了粒子物理的標準模型，是我們理解微觀世界的基本支柱。
量子色動力學與電弱理論的關係
您可以將它們視為標準模型的「左右手」：
量子色動力學：描述了強相互作用，將夸克束縛成質子、中子等。
電弱理論：描述了電磁力和弱核力，負責放射性衰變、光的產生，並與希格斯場一起賦予基本粒子質量。
它們共同構成了對三種基本力（強、弱、電磁）的完整描述，是我們目前對微觀世界最深刻、最精確的理論理解。
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