在粒子物理学中，弱作用力对于改变夸克、改变原子结构和实现元素嬗变至关重要。弱力是使夸克转变为不同类型的夸克或改变夸克电荷的力。 它是粒子物理学标准模型中的三种基本力之一，即无法简化为更小的力。 在粒子物理学标准模型中，弱力由称为 W 和 Z 玻色子的亚原子粒子携带。

橡树岭国家实验室的正氦-3 精密实验通过探测中子和氦-3 原子核结合然后衰变时产生的微小电信号，测量质子和中子之间的弱作用力。 图片来源：Andy Sproles/ORNL，美国能源部

夸克变换和元素转换

通过将夸克转变为其他类型的夸克，弱力将质子转换为中子，反之亦然。 这一点非常重要，因为这种转换会使原子从一种元素变成另一种元素。 质子包含两个上夸克和一个下夸克。 中子包含一个上夸克和两个下夸克。 在原子核中，质子和中子被强力保持在一起。 与此相反，弱力既不会把物体保持在一起，也不会把它们推开。 相反，它能改变夸克的"口味"，使其从上夸克变成下夸克，反之亦然。 通过把夸克变为不同类型的夸克，弱作用力把中子变为质子，把质子变为中子。

弱相互作用的机制及其影响

这一变化描述了一种称为"弱相互作用"的过程。 弱相互作用的一种类型是β衰变，这是一种放射性衰变。 β衰变的一种形式是β加衰变，它涉及弱力导致质子转变为中子。 这一过程会释放出一个正电子和电子中微子。 它还会将元素的原子序数减少一个，使其变成另一种元素。 因此，碳-10 衰变为硼-10。 β衰变的另一种形式是β负衰变，它是由弱力导致中子转变为质子。 这个过程会产生一个电子和一个电子泛微子。 它还会将原子的原子序数增加一个，并同样将其转变为不同的元素。 例如，碳-14 变为氮-14。

探索弱相互作用的多样性

除了β衰变，科学家们还发现了许多其他类型的弱相互作用。 这些弱相互作用要么是"带电电流"相互作用，要么是"中性电流"相互作用。"带电-电流"相互作用会改变夸克的电荷，而"中性-电流"相互作用不会。 这就是为什么有两种玻色子：W 玻色子带电，而 Z 玻色子不带电。

弱力事实

弱力是唯一违反某些对称性的基本力。您可以在这段费米实验室关于弱力的视频中了解更多信息：

并在这段更长的费米实验室视频中了解有关所有力的更多信息：

阅读《科学美国人》的报道，了解科学家们是如何了解强力是如何产生的。在能源部橡树岭国家实验室，科学家们进行了精确的实验来测量弱力。

能源部科学办公室： 对粒子物理标准模型的贡献

长期以来，能源部一直支持对基本粒子及其作用力的研究。 六种夸克中的五种、一种轻子以及所有三种中微子都是在现在的能源部国家实验室发现的。 能源部科学办公室支持的研究人员经常与世界各地的科学家合作，为诺贝尔奖的发现和完善标准模型的测量做出了贡献。

这些努力至今仍在继续。 在能源部科学办公室的支持下，科学家们开展实验，对标准模型进行精确测试，并进一步改进对粒子特性及其相互作用的测量。 理论家与实验科学家合作，利用粒子加速器和其他工具开发探索标准模型的新方法。 这项研究可能会让人们深入了解与暗物质、暗能量有关的未知粒子和力量，以及反物质在大爆炸之后发生了什么。

那么，什么是强核力？

强核力在粒子物理学中至关重要，它将夸克等亚原子粒子结合成质子和中子，再将这些粒子结合成原子核，尽管带类似电荷的质子之间存在排斥性电磁力。

这种力由胶子介导，明显强于电磁力，但其作用距离微乎其微。 能源部通过广泛的研究与合作，极大地推动了我们对强核力的理解，促进了重大发现和对标准模型的不断探索。

强核力是将亚原子粒子聚集在一起形成更大的亚原子粒子的力。 它是粒子物理学标准模型中的三种基本力之一--无法简化为更简单的力。

在最小的层面上，强核力将夸克结合在一起，形成质子和中子。 这些较大的粒子由三个夸克组成。 在更大的层面上，强核力将质子和中子结合在一起，形成原子核。

研究人员正在托马斯-杰斐逊国家加速器的连续电子束加速器（CEBAF）上探测强核力的性质和其他基础物理学。 资料来源：托马斯-杰斐逊国家加速器设施

强核力由胶子携带。 胶子是玻色子的一种，是一种携带力并允许这些力在粒子间移动的粒子。

科学家最初提出强核力，是因为他们需要解释为什么电磁力不会导致原子核飞散成更基本的粒子。 电磁力负责解释带电荷的粒子如何相互作用。 在原子核中，电磁力应该迫使带正电的质子分离，因为它们具有相同的电变化。 强核力克服了这一影响。

强核力知识

强核力比电磁力强约 100 倍。

强核力只对非常非常小的距离产生影响--当粒子之间相距很小的距离时，强核力就会停止工作。 有多小？ 比一个原子的直径还要小大约10万倍。

强核力意味着把两个夸克拉开需要很大的能量，而能量又会产生两个额外的夸克。 这就是为什么夸克总是与其他夸克结合在一起，而从不单独存在的原因。

您可以在费米实验室关于强核力的视频中了解更多信息：

在费米实验室更长的视频中了解所有力的更多信息：

阅读《科学美国人》关于强核力如何产生的研究故事。

能源部长期以来一直支持对基本粒子及其支配力的研究。 六种夸克中的五种、一种轻子以及所有三种中微子都是在现在的能源部国家实验室发现的。 能源部科学办公室支持的研究人员经常与世界各地的科学家合作，为诺贝尔奖的发现和完善标准模型的测量做出了贡献。

如今，这些努力仍在继续。 在能源部科学办公室的支持下，科学家们开展实验，对标准模型进行精确测试，并进一步改进对粒子特性及其相互作用的测量。 理论家与实验科学家合作，利用粒子加速器和其他工具开发探索标准模型的新途径。 这项研究还可以让人们深入了解哪些未知粒子和力可以解释暗物质和暗能量，以及反物质在 宇宙大爆炸之后发生了什么。

编译自/ScitechDaily

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