在粒子物理學中，弱作用力對於改變夸克、改變原子結構和實現元素嬗變至關重要。弱力是使夸克轉變為不同類型的夸克或改變夸克電荷的力。 它是粒子物理學標準模型中的三種基本力之一，即無法簡化為較小的力。 在粒子物理學標準模型中，弱力由稱為W 和Z 玻色子的亞原子粒子攜帶。

橡樹嶺國家實驗室的正氦-3 精密實驗透過探測中子和氦-3 原子核結合然後衰變時產生的微小電訊號，測量質子和中子之間的弱作用力。 圖片來源：Andy Sproles/ORNL，美國能源部

夸克變換與元素轉換

透過將夸克轉變為其他類型的夸克，弱力將質子轉換為中子，反之亦然。 這一點非常重要，因為這種轉換會使原子從一種元素變成另一種元素。 質子包含兩個上夸克和一個下夸克。 中子包含一個上夸克和兩個下夸克。 在原子核中，質子和中子被強力保持在一起。 與此相反，弱力既不會把物體保持在一起，也不會把它們推開。 相反，它能改變夸克的”口味”，使其從上夸克變成下夸克，反之亦然。 透過把夸克變成不同類型的夸克，弱作用力把中子變成質子，把質子變成中子。

弱相互作用的機制及其影響

這一變化描述了一種稱為”弱相互作用”的過程。 弱相互作用的一種類型是β衰變，這是一種放射性衰變。 β衰變的一種形式是β加衰變，它涉及弱力導致質子轉變為中子。 這個過程會釋放出一個正子和電子中微子。 它還會將元素的原子序數減少一個，使其變成另一種元素。 因此，碳-10 衰變為硼-10。 β衰變的另一種形式是β負衰變，它是由弱力導致中子轉變為質子。 這個過程會產生一個電子和一個電子泛微子。 它還會將原子的原子序數增加一個，並同樣將其轉化為不同的元素。 例如，碳-14 變為氮-14。

探索弱相互作用的多樣性

除了β衰變，科學家還發現了許多其他類型的弱相互作用。 這些弱相互作用要么是”帶電電流”相互作用，要么是”中性電流”相互作用。 “帶電-電流”交互作用會改變夸克的電荷，而”中性-電流”交互作用不會。 這就是為什麼有兩種玻色子：W 玻色子帶電，而Z 玻色子不帶電。

弱力事實

弱力是唯一違反某些對稱性的基本力。您可以在這段費米實驗室關於弱力的影片中了解更多：

並在這段更長的費米實驗室影片中了解有關所有力的更多資訊：

閱讀《科學美國人》的報道，了解科學家是如何了解強力是如何產生的。在能源部橡樹嶺國家實驗室，科學家進行了精確的實驗來測量弱力。

能源部科學辦公室： 對粒子物理標準模型的貢獻

長期以來，能源部一直支持基本粒子及其作用力的研究。 六種夸克中的五種、一種輕子以及所有三種中微子都是在現在的能源部國家實驗室發現的。 能源部科學辦公室支持的研究人員經常與世界各地的科學家合作，為諾貝爾獎的發現和完善標準模型的測量做出了貢獻。

這些努力至今仍在持續。 在能源部科學辦公室的支持下，科學家們進行實驗，對標準模型進行精確測試，並進一步改進粒子特性及其交互作用的測量。 理論家與實驗科學家合作，利用粒子加速器和其他工具開發探索標準模型的新方法。 這項研究可能會讓人們深入了解與暗物質、暗能量有關的未知粒子和力量，以及反物質在大爆炸之後發生了什麼。

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那麼，什麼是強核力呢？

強核力在粒子物理學中至關重要，它將夸克等亞原子粒子結合成質子和中子，再將這些粒子結合成原子核，儘管帶類似電荷的質子之間存在排斥電磁力。

這種力由膠子介導，明顯強於電磁力，但其作用距離微乎其微。 能源部透過廣泛的研究與合作，大大推動了我們對強核力的理解，促進了重大發現和對標準模型的不斷探索。

強核力是將亞原子粒子聚集在一起形成更大的亞原子粒子的力。 它是粒子物理學標準模型中的三種基本力量之一–無法簡化為更簡單的力。

在最小的層面上，強核力將夸克結合在一起，形成質子和中子。 這些較大的粒子由三個夸克組成。 在更大的層面上，強核力將質子和中子結合在一起，形成原子核。

研究人員正在托馬斯-傑斐遜國家加速器的連續電子束加速器（CEBAF）上探測強核力的性質和其他基礎物理學。 資料來源：托馬斯-傑佛遜國家加速器設施

強核力由膠子攜帶。 膠子是玻色子的一種，是一種攜帶力並允許這些力在粒子間移動的粒子。

科學家最初提出強核力，是因為他們需要解釋為什麼電磁力不會導致原子核飛散成更基本的粒子。 電磁力負責解釋帶電荷的粒子如何相互作用。 在原子核中，電磁力應該迫使帶正電的質子分離，因為它們具有相同的電變化。 強核力克服了這項影響。

強核力知識

強核力比電磁力強約100 倍。

強核力只對非常非常小的距離產生影響–當粒子之間相距很小的距離時，強核力就會停止工作。 有多小？ 比一個原子的直徑還要小約10萬倍。

強核力意味著把兩個夸克拉開需要很大的能量，而能量又會產生兩個額外的夸克。 這就是為什麼夸克總是與其他夸克結合在一起，而從不單獨存在的原因。

您可以在費米實驗室關於強核力的影片中了解更多：

在費米實驗室更長的影片中了解所有力的更多資訊：

閱讀《科學美國人》關於強核力如何產生的研究故事。

能源部長期以來一直支持對基本粒子及其支配力的研究。 六種夸克中的五種、一種輕子以及所有三種中微子都是在現在的能源部國家實驗室發現的。 能源部科學辦公室支持的研究人員經常與世界各地的科學家合作，為諾貝爾獎的發現和完善標準模型的測量做出了貢獻。

如今，這些努力仍在繼續。 在能源部科學辦公室的支持下，科學家們進行實驗，對標準模型進行精確測試，並進一步改進粒子特性及其交互作用的測量。 理論家與實驗科學家合作，利用粒子加速器和其他工具開發探索標準模型的新途徑。 這項研究還可以讓人們深入了解哪些未知粒子和力可以解釋暗物質和暗能量，以及反物質在宇宙大爆炸之後發生了什麼。

編譯自/ ScitechDaily