อันตรกิริยาอย่างอ่อน

การสลายให้อนุภาคบีตาที่เป็นกัมมันตรังสีนั้นเกิดขึ้นได้เนื่องด้วยอันตรกิริยาอย่างอ่อน ซึ่งจะแปลงนิวตรอนหนึ่งตัวให้เป็นโปรตอน, อิเล็กตรอน และ อิเล็กตรอนปฏินิวทริโนอย่างละหนึ่งตัว

ในฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์อนุภาค อันตรกิริยาอย่างอ่อน (อังกฤษ: weak interaction) หรือที่เรียกอีกชื่อหนึ่งว่าแรงอย่างอ่อน (weak force) เป็นหนึ่งในสี่อันตรกิริยาพื้นฐานที่เป็นที่รู้กันในปัจจุบัน โดยอันตรกิริยาอีกสามอย่างที่เหลือนั้นประกอบด้วย แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetism), อันตรกิริยาอย่างเข้ม (strong interaction) และแรงโน้มถ่วง (gravitation) ปฏิสัมพันธ์อย่างอ่อนเป็นกลไกของการมีปฏิสัมพันธ์กันระหว่างอนุภาคย่อยของอะตอมที่มีบทบาทสำคัญต่อการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี (radioactive decay) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเกิดปฏิกิริยาการแยกนิวเคลียส (nuclear fission) และการหลอมนิวเคลียส (nuclear fusion) ทฤษฎีที่ใช้อธิบายพฤติกรรมและผลกระทบของอันตรกิริยาอย่างอ่อนนั้นในบางครั้งเรียกว่าควอนตัมเฟลเวอร์ไดนามิกส์ (quantum flavordynamics หรือ QFD) อย่างไรก็ตาม คำว่า QFD ไม่ค่อยถูกนำไปใช้งานเท่าใดนัก เนื่องจากอันตรกิริยาอย่างอ่อนนั้นสามารถเข้าใจได้ดีกว่าผ่านทฤษฎีแรงไฟฟ้าอ่อน (electroweak theory หรือ EWT) ซึ่งเป็นกรอบทฤษฎีที่ครอบคลุมอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้าและอันตรกิริยาอย่างอ่อนเข้าด้วยกัน

ระยะส่งผลของอันตรกิริยาอย่างอ่อนนั้นถูกจำกัดอยู่ที่ระดับเล็กกว่าอะตอม ซึ่งมีค่าน้อยกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอน

ภูมิหลัง

แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค (Standard Model of particle physics) เป็นกรอบทฤษฎีที่รวมเอาอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้า, อันตรกิริยาอย่างอ่อน และอันตรกิริยาอย่างเข้มเข้าด้วยกันในลักษณะที่เป็นเอกภาพ ซึ่งอันตรกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคสองตัว (โดยทั่วไปคือเฟอร์มิออนที่มีสปินเป็นครึ่งจำนวนเต็ม แต่ไม่จำเป็นเสมอไป) มีการแลกเปลี่ยนโบซอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีสปินเป็นจำนวนเต็ม เฟอร์มิออนที่เกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนดังกล่าวอาจเป็นอนุภาคมูลฐาน (เช่น อิเล็กตรอนหรือควาร์ก) หรืออนุภาคประกอบ (เช่น โปรตอนหรือนิวตรอน) ถึงแม้ว่าในระดับที่ลึกที่สุด นั้นอันตรกิริยาอย่างอ่อนทั้งหมดจะเกิดขึ้นระหว่างอนุภาคมูลฐานเท่านั้น

ในระหว่างที่มีอันตรกิริยาอย่างอ่อนนั้นเฟอร์มิออนสามารถแลกเปลี่ยนอนุภาคสื่อแรงได้สามชนิด ได้แก่ โบซอน W⁺, W⁻ และ Z โบซอน โดยมวลของโบซอนเหล่านี้มีค่ามากกว่ามวลของโปรตอนหรือ นิวตรอนอย่างมาก ซึ่งสอดคล้องกับระยะการส่งผลที่สั้นของแรงอย่างอ่อน ทั้งนี้ แรงดังกล่าวถูกเรียกว่า "แรงอย่างอ่อน" เนื่องจากความเข้มของสนามแรงในระยะทางใด ๆ มักจะมีค่าต่ำกว่าความเข้มของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าหลายอยู่หลายขั้น และแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเองก็มีความเข้มต่ำกว่าแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มอีกหลายขั้นเช่นกัน

อันตรกิริยาอย่างอ่อนเป็นอันตรกิริยาพื้นฐานเพียงชนิดเดียวที่ละเมิดสมมาตรพาริตี (parity symmetry) และในทำนองเดียวกัน แม้จะเกิดขึ้นได้ยากกว่ามาก แต่อันตรกิริยาชนิดนี้ยังเป็นอันตรกิริยาเพียงชนิดเดียวที่ละเมิดสมมาตรประจุ-พาริตี (charge–parity symmetry) อีกด้วย

ควาร์กอันเป็นองค์ประกอบของอนุภาคประกอบ เช่น นิวตรอนและโปรตอน มีทั้งหมดหก "เฟลเวอร์" (flavour) ได้แก่ อัพ (up), ดาวน์ (down), ชาร์ม (charm), สเตรนจ์ (strange), ท็อป (top) และ บอตทอม (bottom) ซึ่งเฟลเวอร์เหล่านี้เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติของอนุภาคประกอบที่ควาร์กประกอบขึ้น อันตรกิริยาอย่างอ่อนมีลักษณะเฉพาะตัวที่สามารถทำให้ควาร์กเปลี่ยนเฟลเวอร์ของตนเป็นแบบอื่นได้ การเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้นผ่านการแลกเปลี่ยนโบซอนสื่อแรง เช่น ในกระบวนการสลายตัวแบบเบตาลบ (beta-minus decay) อนุภาคดาวน์ควาร์กในนิวตรอนเปลี่ยนเป็นอัพควาร์กทำให้นิวตรอนเปลี่ยนเป็นโปรตอน และส่งผลให้มีการปล่อยอิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนแอนตินิวตริโนออกมา

อันตรกิริยาอย่างอ่อนมีความสำคัญต่อกระบวนการหลอมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมในดาวฤกษ์ เนื่องจากอันตรกิริยาชนิดนี้สามารถเปลี่ยนโปรตอน (ไฮโดรเจน) ให้เป็นนิวตรอนเพื่อสร้างดิวเทอเรียม ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญที่ทำให้กระบวนการหลอมนิวเคลียสดำเนินต่อไปจนก่อให้เกิดฮีเลียม การสะสมตัวของนิวตรอนยังช่วยให้เกิดการสร้างนิวเคลียสหนักขึ้นภายในดาวฤกษ์อีกด้วย

อนุภาคเฟอร์มิออนส่วนใหญ่จะสลายตัวผ่านอันตรกิริยาอย่างอ่อนเมื่อเวลาผ่านไป การสลายตัวนี้ทำให้เกิดเทคนิคการหาอายุจากคาร์บอนกัมมันตรังสี (radiocarbon dating) เนื่องจากคาร์บอน-14 จะสลายตัวเป็นไนโตรเจน-14 ผ่านอันตรกิริยาอย่างอ่อน อันตรกิริยานี้ยังสามารถก่อให้เกิดการเรืองแสงจากสารกัมมันตรังสี (radioluminescence) ซึ่งถูกนำไปใช้ในกระบวนการสร้างแสงด้วยทริเทียม (tritium luminescence) และในเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับบีตาโวลตาอิกส์ (betavoltaics) อย่างไรก็ตาม การเรืองแสงนี้ไม่เหมือนกับการเรืองแสงจากเรเดียม (radium luminescence)

แรงไฟฟ้าอ่อนได้รับการเชื่อว่าได้แยกตัวออกเป็นแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงอย่างอ่อนในยุคควาร์ก (quark epoch) ของจักรวาลยุคเริ่มต้น

ประวัติ

ในปี ค.ศ. 1933 เอนรีโก แฟร์มี (Enrico Fermi) ได้เสนอทฤษฎีแรกเกี่ยวกับอันตรกิริยาอย่างอ่อน ซึ่งเป็นที่รู้จักในชื่อ "ปฏิสัมพันธ์ของแฟร์มี" (Fermi's interaction) โดยเขาเสนอว่ากระบวนการการสลายตัวแบบบีตาสามารถอธิบายได้ด้วยปฏิสัมพันธ์หรืออันตรกิริยาระหว่างเฟอร์มิออนสี่ตัวที่เกิดขึ้นผ่านแรงสัมผัส (contact force) ซึ่งไม่มีระยะการกระทำ

ในช่วงกลางทศวรรษ 1950 เฉินหนิง หยาง (Chen-Ning Yang) และจางเต๋า ลี (Tsung-Dao Lee) ได้เสนอแนวคิดว่าทิศทางของสปินของอนุภาคในอันตรกิริยาอย่างอ่อนอาจละเมิดกฎการอนุรักษ์หรือสมมาตร ต่อมาในปี ค.ศ. 1957 เจิ้งชง อู๋ (Chien Shiung Wu) และคณะได้ยืนยันการละเมิดสมมาตรดังกล่าวผ่านการทดลอง

ในทศวรรษ 1960 เชลดอน กลาชาว (Sheldon Glashow), อับดุส ซาลาม (Abdus Salam) และสตีเวน ไวน์เบิร์ก (Steven Weinberg) ได้รวมแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและอันตรกิริยาอย่างอ่อนเข้าด้วยกัน โดยแสดงให้เห็นว่าแรงทั้งสองเป็นมุมมองที่ต่างกันของแรงเดียวกัน ซึ่งในปัจจุบันเรียกว่าแรงไฟฟ้าอ่อน (electroweak force)

การมีอยู่ของโบซอน W และ Z ยังไม่ได้รับการยืนยันโดยตรงจนกระทั่งปี ค.ศ. 1983^{(หน้าที่ 8)}

คุณสมบัติ

อันตรกิริยาอย่างอ่อนที่มีประจุไฟฟ้ามีลักษณะเฉพาะหลายประการ ดังนี้:

• เป็นอันตรกิริยาเพียงชนิดเดียวที่สามารถเปลี่ยนเฟลเวอร์ของควาร์กและเลปตอน (เช่น เปลี่ยนควาร์กชนิดหนึ่งให้กลายเป็นอีกชนิดหนึ่ง)^{[เชิงอรรถ 1]}
• เป็นอันตรกิริยาเพียงชนิดเดียวที่ละเมิดสมมาตรพาริตี (P หรือ parity symmetry) รวมถึงเป็นปฏิสัมพันธ์เดียวที่ละเมิดสมมาตรประจุ-พาริตี (charge–parity หรือ CP symmetry)
• ทั้งอันตรกิริยาที่มีประจุไฟฟ้าและไม่มีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้นผ่านการส่งผ่านของอนุภาคนำพาแรงที่มีมวลมาก ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะที่แตกต่างจากอันตรกิริยาพื้นฐานอื่น ๆ โดยแบบจำลองมาตรฐานได้อธิบายลักษณะนี้ผ่านกลไกฮิกส์

เนื่องจากการที่มันมีมวลมาก (ประมาณ 90 GeV/c²) โบซอนตัวนำพาแรงที่มีชื่อเรียกว่า W และ Z จึงมีอายุสั้นมาก โดยมีช่วงอายุการสลายตัวต่ำกว่า 10^-24 วินาที อันตรกิริยาอย่างอ่อนมีค่าคงที่การเชื่อมต่อ (coupling constant) (ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ความถี่ของการเกิดอันตรกิริยา) อยู่ในช่วง 10^-7 ถึง 10^-6 เมื่อเทียบกับค่าคงที่การเชื่อมต่อของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประมาณ 10^-2 และแรงอย่างเข้มที่ประมาณ 1 ทำให้แรงอย่างอ่อนนี้มีความ "อ่อน" ในแง่ของความเข้มที่ต่ำกว่าแรงพื้นฐานอื่น อันตรกิริยาอย่างอ่อนนั้นมีระยะการส่งผลที่สั้นมาก โดยมีช่วงระยะการส่งผลอยู่ที่ประมาณ 10^-17 ถึง 10^-16 เมตร (0.01 ถึง 0.1 เฟมโตเมตร)^{[เชิงอรรถ 2]} โดยที่ระยะประมาณ 10^-18 เมตร (0.001 เฟมโตเมตร) อันตรกิริยาอย่างอ่อนนั้นจะมีความเข้มใกล้เคียงกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ความเข้มนี้จะลดลงในอัตราที่เพิ่มขึ้นแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลเมื่อระยะทางเพิ่มขึ้น หากเพิ่มระยะออกไปประมาณ 1.5 ลำดับขั้นของขนาด (orders of magnitude) ที่ระยะประมาณ 3 × 10^-17 เมตร อันตรกิริยาอย่างอ่อนจะอ่อนแอลงจนเหลือเพียง 1/10,000 ของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า

อันตรกิริยาอย่างอ่อนมีผลต่อเฟอร์มิออนทั้งหมดในแบบจำลองมาตรฐาน รวมถึงฮิกส์โบซอนด้วย สำหรับนิวทริโนนั้นอันตรกิริยาที่มีผลต่อมันคือแรงโน้มถ่วงและอันตรกิริยาอย่างอ่อนเท่านั้น อันตรกิริยาอย่างอ่อนไม่ก่อให้เกิดสถานะจำกัดขอบเขต (bound states) และไม่มีพลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy) ซึ่งแตกต่างจากแรงโน้มถ่วงที่ก่อให้เกิดการยึดเหนี่ยวในระดับดาราศาสตร์, แรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำหน้าที่ในระดับโมเลกุลและอะตอม และแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มที่มีผลเฉพาะในระดับอนุภาคย่อยภายในนิวเคลียส

ผลกระทบที่เด่นชัดที่สุดของอันตรกิริยาอย่างอ่อนมาจากคุณสมบัติเฉพาะที่สำคัญที่สุด คือการเปลี่ยนเฟลเวอร์ผ่านอันตรกิริยาอย่างอ่อนที่มีประจุไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น นิวตรอนซึ่งมีมวลมากกว่าโปรตอน (นิวคลีออนคู่ของมัน) สามารถสลายตัวไปเป็นโปรตอนได้โดยการเปลี่ยนเฟลเวอร์ (ชนิด) ของดาวน์ควาร์กหนึ่งในสองตัวให้เป็นอัพควาร์ก ทั้งอันตรกิริยาอย่างเข้มและแรงแม่เหล็กไฟฟ้าไม่สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนเฟลเวอร์ได้ ดังนั้นกระบวนการนี้จึงเกิดขึ้นได้เฉพาะวิธีการที่ผ่านการสลายตัวแบบอ่อนเท่านั้น หากไม่มีการสลายตัวแบบอ่อน คุณสมบัติของควาร์ก เช่น ความเป็นสเตรนจ์ (strangeness) และความเป็นชาร์ม (charm) ซึ่งเกี่ยวข้องกับสเตรนจ์ควาร์กและชาร์มควาร์ก จะยังคงถูกอนุรักษ์ไว้ในทุกอันตรกิริยา

อนุภาคเมซอนทั้งหมดไม่เสถียรเนื่องจากการสลายตัวแบบอ่อน^{(หน้าที่ 29)[เชิงอรรถ 3]} ในกระบวนการที่เรียกว่าการสลายตัวแบบบีตานั้นอนุภาคดาวน์ควาร์กในนิวตรอนสามารถเปลี่ยนเป็นอัพควาร์กได้โดยการปล่อยโบซอน W^— เสมือน ซึ่งจะสลายตัวต่อไปเป็นอิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนแอนตินิวทริโน^{(หน้าที่ 28)} อีกตัวอย่างหนึ่งคือการจับอิเล็กตรอน (electron capture) ซึ่งเป็นรูปแบบทั่วไปของการสลายตัวกัมมันตรังสี โดยในกระบวนการนี้นั้นโปรตอนและอิเล็กตรอนภายในอะตอมจะทำปฏิกิริยากันและเปลี่ยนเป็นนิวตรอน (อัพควาร์กเปลี่ยนเป็นดาวน์ควาร์ก) พร้อมทั้งปล่อยอิเล็กตรอนนิวทริโนออกมา

เนื่องจากโบซอน W มีมวลมาก ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงหรือการสลายตัวของอนุภาค (เช่น การเปลี่ยนเฟลเวอร์) ที่ขึ้นอยู่กับอันตรกิริยาอย่างอ่อนจึงมักเกิดขึ้นช้ากว่าการเปลี่ยนแปลงหรือการสลายตัวที่ขึ้นอยู่กับอันตรกิริยาอย่างเข้มหรือแรงแม่เหล็กไฟฟ้า^{[เชิงอรรถ 4]} ตัวอย่างเช่น ไพออนเป็นกลาง (neutral pion) ที่สลายตัวผ่านแรงแม่เหล็กไฟฟ้า จะทำให้มีอายุเพียงประมาณ 10^-16 วินาที ในขณะที่ไพออนมีประจุ (charged pion) ที่สลายตัวได้โดยอันตรกิริยาอย่างอ่อนเท่านั้น ซึ่งจะทำให้มีอายุยาวนานถึงประมาณ 10^-8 วินาที หรือยาวนานกว่าไพออนเป็นกลางถึงหนึ่งร้อยล้านเท่า^{(หน้าที่ 30)} ตัวอย่างที่ชัดเจนยิ่งกว่าคือการสลายตัวแบบอ่อนของนิวตรอนอิสระ (free neutron) ซึ่งใช้เวลาประมาณ 15 นาที^{(หน้าที่ 28)}

ไอโซสปินอย่างอ่อนและไฮเปอร์ชาร์จอย่างอ่อน

บทความหลัก: ไอโซสปินอย่างอ่อน

อนุภาคเฟอร์มิออนถนัดซ้ายในแบบจำลองมาตรฐาน

รุ่นที่ 1			รุ่นที่ 2			รุ่นที่ 3
เฟอร์มิออน	สัญลักษณ์	ไอโซสปินอย่างอ่อน	เฟอร์มิออน	สัญลักษณ์	ไอโซสปินอย่างอ่อน	เฟอร์มิออน	สัญลักษณ์	ไอโซสปินอย่างอ่อน
อิเล็กตรอนนิวทริโน	ν e	+ 1/2	มิวออนนิวทริโน	ν μ	+ 1/2	ทาวนิวทริโน	ν τ	+ 1/2
อิเล็กตรอน	e−	− 1/2	มิวออน	μ−	− 1/2	ทาว	τ−	− 1/2
อัพควาร์ก	u	+ 1/2	ชาร์มควาร์ก	c	+ 1/2	ท็อปควาร์ก	t	+ 1/2
ดาวน์ควาร์ก	d	− 1/2	สเตรนจ์ควาร์ก	s	− 1/2	บ็อตทอมควาร์ก	b	− 1/2
อนุภาคถนัดซ้าย (ปกติ) ที่อยู่บนตารางทั้งหมดนั้นมีคู่ปฏิอนุภาคที่ถนัดขวาเป็นของตนเอง ซึ่งมีไอโซสปินอย่างอ่อนที่เท่ากันและตรงข้ามกัน
อนุภาคถนัดขวา (ปกติ) และปฏิอนุภาคที่ถนัดซ้ายนั้นมีไอโซสปินอย่างอ่อนที่เท่ากับ 0

อนุภาคทุกชนิดมีคุณสมบัติที่เรียกว่าไอโซสปินอย่างอ่อน (weak isospin) ซึ่งมีสัญลักษณ์เป็น T₃ โดยไอโซสปินนี้เป็นจำนวนควอนตัมเชิงบวกที่จำกัดวิธีที่อนุภาคสามารถทำปฏิสัมพันธ์กับโบซอน W^± ของอันตรกิริยาอย่างอ่อน ไอโซสปินอย่างอ่อนทำหน้าที่ในอันตรกิริยาอย่างอ่อนกับอนุภาค W^± เช่นเดียวกับที่ประจุไฟฟ้าทำหน้าที่ในแรงแม่เหล็กไฟฟ้า และประจุสีในอันตรกิริยาอย่างเข้ม นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติที่เรียกว่าประจุอ่อน (weak charge) อันจะกล่าวต่อไปด้านล่าง ซึ่งใช้สำหรับการปฏิสัมพันธ์กับอนุภาค Z⁰ เฟอร์มิออนที่ถนัดซ้ายทั้งหมดมีค่าไอโซสปินแบบอ่อนเท่ากับ + 1/2 หรือ − 1/2 ในขณะที่เฟอร์มิออนที่มีสปินขวาทั้งหมดมีค่าไอโซสปินเท่ากับ 0 ตัวอย่างเช่น อัพควาร์กมีค่าไอโซสปินเท่ากับ + 1/2 และดาวน์ควาร์กมีค่าเท่ากับ − 1/2 ควาร์กจะไม่สลายตัวผ่านอันตรกิริยาอย่างอ่อนให้เป็นควาร์กที่มีค่า T₃ เท่ากันได้ ควาร์กที่มีค่า + 1/2 จะสลายตัวเป็นควาร์กที่มีค่า − 1/2 เท่านั้น รวมถึงในทางกลับกัน

อนุภาค
π⁺
สลายตัวผ่านอันตรกิริยาอย่างอ่อน

ในทุกปฏิสัมพันธ์ที่เกี่ยวข้องกับแรงอย่างเข้ม, แรงแม่เหล็กไฟฟ้า หรือแรงอย่างอ่อนนั้นค่าไอโซสปินอย่างอ่อนจะถูกอนุรักษ์ไว้^{[เชิงอรรถ 5]} ซึ่งหมายความว่าผลรวมของค่าไอโซสปินอย่างอ่อนของอนุภาคที่เข้าสู่ปฏิสัมพันธ์นี้จะเท่ากับผลรวมของค่าไอโซสปินอย่างอ่อนของอนุภาคที่ออกจากปฏิสัมพันธ์ ตัวอย่างเช่น ไพออนมีประจุ (
π⁺
) ซึ่งเป็นเฟอร์มิออนถนัดซ้ายและมีค่าไอโซสปินอย่างอ่อนเท่ากับ +1 มักจะสลายตัวเป็นนิวตริโนมิวออน (
ν
_μ) ซึ่งมีค่า T³ = + 1/2 และมิวออนประจุบวก (
μ⁺
) ซึ่งเป็นปฏิอนุภาคถนัดขวาและมีค่าเท่ากับ + 1/2^{(หน้าที่ 30)}

สำหรับการพัฒนาทฤษฎีแรงไฟฟ้าอ่อนนั้นได้มีการกำหนดคุณสมบัติอีกอย่างหนึ่งขึ้นมาเรียกว่าไฮเปอร์ชาร์จอย่างอ่อน (weak hypercharge) ซึ่งนิยามดังนี้:

$Y_{\text{W}}=2\,(Q-T_{3}),$

โดยที่ Y_W คือไฮเปอร์ชาร์จอย่างอ่อนของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า Q (ในหน่วยประจุพื้นฐาน) และ T³ คือไอโซสปินแบบอ่อน ไฮเปอร์ชาร์จอย่างอ่อนเป็นตัวสร้างองค์ประกอบของ U(1) ในกลุ่มเกจของแรงไฟฟ้าอ่อน ทั้งนี้ แม้ว่าอนุภาคบางชนิดจะมีค่าไอโซสปินอย่างอ่อนเท่ากับศูนย์ แต่อนุภาคที่มีค่าสปินเท่ากับ 1/2 ทุกชนิดที่ทราบในปัจจุบันนั้นมีค่าไฮเปอร์ชาร์จอย่างอ่อนที่ไม่เป็นศูนย์^{[เชิงอรรถ 6]}

รูปแบบของอันตรกิริยา

อันตรกิริยาอย่างอ่อนมีอยู่สองประเภท (เรียกว่าจุดยอดหรือ vertex พหูพจน์: vertices) ประเภทแรกเรียกว่า "อันตรกิริยากระแสมีประจุ" (charged-current interaction) เนื่องจากเฟอร์มิออนที่มีอันตรกิริยาอย่างอ่อนจะสร้างกระแสที่มีประจุไฟฟ้ารวมไม่เป็นศูนย์ ประเภทที่สองเรียกว่า "อันตรกิริยากระแสเป็นกลาง" (neutral-current interaction) เนื่องจากเฟอร์มิออนที่มีอันตรกิริยาอย่างอ่อนสร้างกระแสที่มีประจุไฟฟ้ารวมเป็นศูนย์ ซึ่งอันตรกิริยาประเภทนี้เป็นสาเหตุของการเบี่ยงเบน (ที่เกิดขึ้นได้ยาก) ของนิวทริโน อันตรกิริยาทั้งสองประเภทนี้มีเกณฑ์การคัดเลือกที่แตกต่างกัน การตั้งชื่ออันตรกิริยาทั้งสองนี้มักถูกเข้าใจผิดว่าเกี่ยวข้องกับประจุไฟฟ้าของโบซอน W และ Z อย่างไรก็ตาม การตั้งชื่อนี้เกิดขึ้นก่อนแนวคิดเรื่องโบซอนตัวกลาง และชัดเจนว่า (อย่างน้อยในแง่ของชื่อ) หมายถึงประจุของกระแส (ที่เกิดจากเฟอร์มิออน) ไม่จำเป็นต้องเกี่ยวข้องกับโบซอนเสมอไป^{[เชิงอรรถ 7]}

อันตรกิริยากระแสมีประจุ

บทความหลัก: กระแสมีประจุ

แผนภาพไฟน์แมนแสดงให้เห็นถึงการสลายให้อนุภาคบีตาลบของนิวตรอน (n = udd) ไปเป็นโปรตอน (p = udu), อิเล็กตรอน (e⁻), และ อิเล็กตรอนแอนตินิวทริโน ν_e, ผ่านอนุภาคเว็กเตอร์โบซอนมีประจุ(
W⁻
).

ในอันตรกิริยากระแสมีประจุประเภทหนึ่ง เลปตอนที่มีประจุไฟฟ้า (เช่น อิเล็กตรอนหรือมิวออน ซึ่งมีประจุเท่ากับ -1) สามารถดูดซับโบซอน W⁺ (อนุภาคที่มีประจุเท่ากับ +1) และถูกเปลี่ยนเป็นนิวทริโนที่สอดคล้องกัน (ซึ่งมีประจุเท่ากับ 0) โดยชนิด ("เฟลเวอร์") ของนิวทริโน (เช่น อิเล็กตรอนนิวทริโน ν_e, มิวออนนิวทริโน ν_μ, หรือทาวนิวทริโน ν_τ) จะเหมือนกับชนิดของเลปตอนในปฏิสัมพันธ์นั้น ตัวอย่างเช่น:

$\mu ^{-}+\mathrm {W} ^{+}\to \nu _{\mu }$

ในทำนองเดียวกัน ควาร์กประเภทดาวน์ (d, s, or b ซึ่งมีประจุเท่ากับ − 1/3) สามารถถูกแปลงเป็นควาร์กประเภทอัพ (u, c หรือ t ซึ่งมีประจุเท่ากับ + 2/3) ได้ โดยการปล่อยโบซอน W^– หรือโดยการดูดซับโบซอน W⁺ หากว่าโดยละเอียดแล้วนั้นควาร์กประเภทดาวน์จะเกิดการซ้อนทับควอนตัม (quantum superposition) กับควาร์กประเภทอัพ กล่าวคือ มันมีโอกาสที่จะกลายเป็นควาร์กประเภทอัพชนิดใดชนิดหนึ่งจากสามชนิดก็ได้ โดยที่ความน่าจะเป็นของแต่ละกรณีถูกกำหนดโดยเมทริกซ์ CKM และในทางกลับกัน ควาร์กประเภทอัพสามารถปล่อยโบซอน W⁺ หรือดูดซับโบซอน W^– และถูกเปลี่ยนใฟ้เป็นควาร์กประเภทดาวน์ได้ ตัวอย่างเช่น:${\begin{aligned}\mathrm {d} &\to \mathrm {u} +\mathrm {W} ^{-}\\\mathrm {d} +\mathrm {W} ^{+}&\to \mathrm {u} \\\mathrm {c} &\to \mathrm {s} +\mathrm {W} ^{+}\\\mathrm {c} +\mathrm {W} ^{-}&\to \mathrm {s} \end{aligned}}$

อนุภาคโบซอน W นั้นไม่เสถียร ซึ่งจะสลายตัวไปอย่างรวดเร็วโดยมีอายุขัยที่สั้น ตัวอย่างเช่น: ${\begin{aligned}\mathrm {W} ^{-}&\to \mathrm {e} ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mathrm {e} }~\\\mathrm {W} ^{+}&\to \mathrm {e} ^{+}+\nu _{\mathrm {e} }~\end{aligned}}$

การสลายตัวของโบซอน W ที่ให้ผลผลิตแบบอื่นนั้นสามารถเกิดขึ้นได้ ซึ่งมีความเป็นไปได้ที่หลากหลาย

ในกระบวนการที่เรียกว่าการสลายตัวให้อนุภาคบีตาของนิวตรอน (ดูภาพประกอบด้านบน) ดาวน์ควาร์กภายในนิวตรอนจะปล่อยโบซอนเสมือน W^– ออกมา และถูกเปลี่ยนเป็นอัพควาร์ก ส่งผลให้นิวตรอนถูกเปลี่ยนเป็นโปรตอน เนื่องจากพลังงานที่เกี่ยวข้องในกระบวนการนี้มีจำกัด (กล่าวคือ พลังงานถูกจำกัดโดยความแตกต่างของมวลระหว่างดาวน์ควาร์กและอัพควาร์ก) โบซอนเสมือน W^– จึงทำได้เพียงนำพาพลังงานที่เพียงพอสำหรับการสร้างอิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนแอนตินิวทริโน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีมวลต่ำสุดในบรรดาผลผลิตที่เป็นไปได้ของการสลายตัวของมัน ในระดับควาร์กนั้นกระบวนการนี้สามารถแสดงได้เป็นสมการดังนี้:$\mathrm {d} \to \mathrm {u} +\mathrm {e} ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mathrm {e} }~$

อันตรกิริยากระแสเป็นกลาง

บทความหลัก: กระแสเป็นกลาง

ในอันตรกิริยากระแสเป็นกลาง อนุภาคควาร์กหรือเลปตอน (เช่น อิเล็กตรอนหรือมิวออน) จะปลดปล่อยหรือดูดซับอนุภาคโบซอน Z ที่ไม่มีประจุ ตัวอย่างเช่น:

$\mathrm {e} ^{-}\to \mathrm {e} ^{-}+\mathrm {Z} ^{0}$

เช่นเดียวกันกับอนุภาคโบซอน W^± ตัวอนุภาค Z⁰ จะสลายตัวไปอย่างรวดเร็วเช่นกัน ตัวอย่างเช่น:

$\mathrm {Z} ^{0}\to \mathrm {b} +{\bar {\mathrm {b} }}$

อันตรกิริยาชนิดนี้ต่างจากอันตรกิริยากระแสมีประจุ ซึ่งกฎการคัดสรรนั้นจะถูกจำกัดอย่างเข้มงวดโดยไครัลลิตี, ประจุไฟฟ้า และ/หรือไอโซสปินอย่างอ่อน อันตรกิริยากระแสเป็นกลางที่เกิดจากโบซอน Z⁰ สามารถทำให้เฟอร์มิออนใด ๆ ในแบบจำลองมาตรฐานสองตัวเกิดการหักเหได้ อันตรกิริยานี้สามารถเกิดขึ้นได้ทั้งกับอนุภาคและปฏิอนุภาค ไม่ขึ้นกับชนิดของประจุไฟฟ้า และสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งกับอนุภาคที่มีไครัลลิตีซ้าย (left-chirality) และขวา (right-chirality) แม้ว่าความแรงของปฏิสัมพันธ์จะแตกต่างกันไปก็ตาม^{[เชิงอรรถ 8]}

เลขควอนตัมประจุอ่อน (Q_w) ทำหน้าที่ในปฏิสัมพันธ์กระแสเป็นกลางกับอนุภาค Z⁰ ในลักษณะเดียวกับที่ประจุไฟฟ้า (Q, ไม่มีดัชนี) ทำหน้าที่ในปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า: มันเป็นตัวกำหนดส่วนเวกเตอร์ของปฏิสัมพันธ์นั้น ค่า Q_w นั้นถูกกำหนดโดย:

$Q_{\mathsf {w}}=2\,T_{3}-4\,Q\,\sin ^{2}\theta _{\mathsf {w}}=2\,T_{3}-Q+(1-4\,\sin ^{2}\theta _{\mathsf {w}})\,Q~.$

เนื่องด้วยมุมผสมอ่อนคือ $\theta _{\mathsf {w}}\approx 29^{\circ }$, นิพจน์ในวงเล็บคือ $(1-4\,\sin ^{2}\theta _{\mathsf {w}})\approx 0.060$, โดยที่ค่าของมันเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยตามความแตกต่างของโมเมนตัม (เรียกว่า "การวิ่ง") ระหว่างอนุภาคที่เกี่ยวข้อง ดังนั้น:

$\ Q_{\mathsf {w}}\approx 2\ T_{3}-Q=\operatorname {sgn}(Q)\ {\big (}1-|Q|{\big )}\ ,$

เนื่องด้วยโดยทั่วไปแล้วนั้น $\operatorname {sgn} T_{3}\equiv \operatorname {sgn} Q$, และสำหรับเฟอร์มิออนทุกตัวที่เกี่ยวข้องกับอันตรกิริยาอย่างอ่อนแล้วนั้น $T_{3}=\pm {\tfrac {1}{2}}$ ประจุอ่อนของอนุภาคเลปตอนมีประจุจะมีค่าใกล้เคียงศูนย์ ดังนั้นอนุภาคเหล่านี้โดยส่วนใหญ่จึงมีอันตรกิริยากับอนุภาคโบซอน Z ผ่านการจับคู่ของแกน (axial coupling)

ทฤษฎีแรงไฟฟ้าอ่อน

บทความหลัก: อันตรกิริยาไฟฟ้าอ่อน

แบบจำลองมาตรฐานในฟิสิกส์ของอนุภาคได้ให้คำอธิบายต่ออันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้าและอันตรกิริยาอย่างอ่อนไว้ว่าเป็นสองแง่มุมที่แตกต่างกันของอันตรกิริยาไฟฟ้าอ่อนที่เป็นแรงอย่างเดียวกัน ทฤษฎีนี้ได้รับการพัฒนาราวปี 1968 โดย เชลดอน กลาชาว, อับดุส ซาลาม และ สตีเวน ไวน์เบิร์ก ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1979 สำหรับผลงานของพวกเขา กลไกของฮิกส์ให้คำอธิบายเกี่ยวกับการมีอยู่ของเกจโบซอนที่มีมวลจำนวนสามตัว (W⁺, W^–, Z⁰ ซึ่งเป็นอนุภาคพาหะของอันตรกิริยาอย่างอ่อน) และโฟตอน ($\gamma$ ซึ่งเป็นเกจโบซอนไร้มวลที่ทำหน้าที่เป็นอนุภาคพาหะของอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้า)

เชิงอรรถ

• ^{[เชิงอรรถ 1]} เนื่องจากความสามารถพิเศษของอันตรกิริยาอย่างอ่อนในการเปลี่ยนแปลงเฟลเวอร์ของอนุภาค การวิเคราะห์อันตรกิริยานี้จึงถูกเรียกในบางครั้งว่าควอนตัมเฟลเวอร์ไดนามิกส์ (quantum flavour dynamics - QFD) ซึ่งเป็นการตั้งชื่อโดยอุปมาอุปไมยกับควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (quantum chromodynamics, QCD) ที่ใช้สำหรับแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม
• ^{[เชิงอรรถ 2]} เปรียบเทียบกับรัศมีประจุของโปรตอนที่ 8.3×10⁻¹⁶ เมตร ~ 0.83 เฟมโตเมตร
• ^{[เชิงอรรถ 3]} อย่างไรก็ตาม ไพออนเป็นกลาง (
  π⁰
  ) สลายตัวผ่านอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้า ในขณะที่เมซอนอื่นหลายชนิด (หากเลขควอนตัมของพวกมันอนุญาต) มักจะสลายตัวผ่าน อันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างเข้มเป็นหลัก
• ^{[เชิงอรรถ 4]} ข้อยกเว้นที่ชัดเจนและอาจเป็นกรณีเดียวของกฎนี้คือการสลายตัวของท็อปควาร์ก (top quark) ซึ่งมีมวลมากกว่าผลรวมของมวลบ็อตทอมควาร์ก (bottom quark) และโบซอน W⁺ ที่เป็นผลผลิตจากการสลายตัว ดังนั้นจึงไม่มีข้อจำกัดด้านพลังงานที่ทำให้การเปลี่ยนสถานะของมันช้าลง ความเร็วในการสลายตัวของท็อปควาร์กผ่านแรงอ่อนนั้นสูงมาก จนกระทั่งแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (หรือ "แรงสี") ไม่มีเวลามากพอที่จะจับมันรวมกับควาร์กตัวอื่นได้ ทำให้มันเป็นควาร์กตัวเดียวที่ไม่สามารถสร้างฮาดรอน (hadron) ได้
• ^{[เชิงอรรถ 5]} มีเพียงอันตรกิริยาที่กระทำต่อฮิกส์โบซอนเท่านั้นที่จะละเมิดการอนุรักษ์ไอโซสปินอย่างอ่อน และดูเหมือนจะละเมิดโดยสมบูรณ์ ดังนี้:

${\bigl |}\Delta T_{3}{\bigr |}={\tfrac {1}{2}}\ .$

• ^{[เชิงอรรถ 6]} เฟอร์มิออนในสมมติฐานบางชนิด เช่น นิวทริโนสเตอไรล์ (sterile neutrinos) จะมีค่าไฮเปอร์ชาร์จอย่างอ่อนเป็นศูนย์ – แต่โดยแท้จริงแล้ว ไม่มีประจุเกจของแรงพื้นฐานที่รู้จักใด ๆ เลยที่เป็นศูนย์ การมีอยู่ของอนุภาคเหล่านี้ยังคงเป็นประเด็นในการวิจัยอย่างต่อเนื่อง เพื่อค้นหาว่ามีอนุภาคดังกล่าวอยู่จริงหรือไม่
• ^{[เชิงอรรถ 7]} การแลกเปลี่ยนโบซอน W เสมือนสามารถพิจารณาได้ในลักษณะเดียวกัน เช่น การปล่อย W⁺ หรือการดูดกลืน W⁻ กล่าวคือ หากพิจารณาแกนเวลาในแนวตั้ง โบซอน W⁺ สามารถมองว่าเคลื่อนที่จากซ้ายไปขวา หรือในทางกลับกัน โบซอน W⁻ สามารถมองว่าเคลื่อนที่จากขวาไปซ้ายได้เช่นเดียวกัน
• ^{[เชิงอรรถ 8]} เฟอร์มิออนเพียงชนิดเดียวที่โบซอน Z⁰ ไม่สามารถมีปฏิสัมพันธ์ด้วยได้เลยคือ นิวทริโนสเตอไรล์อันเป็นอนุภาคในสมมติฐาน ซึ่งได้แก่ ปฏินิวทริโนที่มีไครัลซ้าย (left-chiral anti-neutrinos) และนิวทริโนที่มีไครัลขวา (right-chiral neutrinos) นิวทริโนเหล่านี้ถูกเรียกว่า "สเตอไรล์" หรือ "เป็นหมัน" (sterile) เนื่องจากพวกมันไม่สามารถมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคใด ๆ ในแบบจำลองมาตรฐานได้ ยกเว้นอาจเป็นไปได้กับฮิกส์โบซอน อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน นิวทริโนประเภทนี้ยังคงเป็นเพียงสมมติฐาน และ ณ เดือนตุลาคม ค.ศ. 2021 ยังไม่มีหลักฐานยืนยันการมีอยู่จริงของอนุภาคเหล่านี้

"MicroBooNE ได้ทำการสำรวจอย่างครอบคลุมผ่านอันตรกิริยาหลายประเภท และด้วยเทคนิคการวิเคราะห์และการสร้างภาพใหม่ที่หลากหลาย" บอนนี เฟลมิง (Bonnie Fleming) จากมหาวิทยาลัยเยล (Yale) ซึ่งเป็นผู้ร่วมโฆษกของโครงการกล่าว "ทุกวิธีการให้ผลลัพธ์ที่เหมือนกัน ซึ่งทำให้เรามั่นใจอย่างมากในข้อสรุปของเราว่าเราไม่พบสัญญาณใด ๆ ที่บ่งชี้ถึงการมีอยู่ของนิวทริโนสเตอไรล์"

"นิวตริโนสเตอไรล์ที่มีขนาดพลังงานในระดับ eV ดูเหมือนไม่มีแรงจูงใจทางการทดลองอีกต่อไป และไม่เคยช่วยแก้ปัญหาใด ๆ ที่ค้างคาอยู่ในแบบจำลองมาตรฐาน" มิคาอิล ชาโปชนิกอฟ (Mikhail Shaposhnikov) นักทฤษฎีจาก EPFL กล่าว "แต่นิวทริโนสเตอไรล์ที่มีขนาดพลังงานตั้งแต่ GeV จนถึง keV ซึ่งเป็นที่รู้จักกันในชื่อเฟอร์มิออนมาโจรานา (Majorana fermion) นั้นมีแรงจูงใจทางทฤษฎีที่ดี และไม่ขัดแย้งกับการทดลองใด ๆ ที่มีอยู่"