W и Z бозоны

W± и Z бозоны
Состав: Элементарная частица
Семья: Бозон
Группа: Калибровочный бозон
Взаимодействие: Слабое взаимодействие
Теоретически обоснована: Глэшоу, Вайнберг, Салам (1968)
Обнаружена: UA1 и UA2 совместные эксперименты, 1983
Масса: W: 80.403±0.029 ГэВ/c2 [1]
Z: 91.1876±0.0021 ГэВ/c2 [2]
Электрический заряд: W: ±1 e
Z: 0 e
Спин: 1

В физике W и Z бозоны — это элементарные частицы, переносчики слабого взаимодействия. Их открытие в 1983 г. в ЦЕРНе считается одним из главнейших успехов Стандартной модели физики элементарных частиц.

W частица названа по первой букве названия взаимодействия — слабое (Weak) взаимодействие. Иногда полушутя говорят, что Z частица получила такое имя, поскольку должна была стать последней частицей, которую вообще нужно открыть. (Z — последняя буква латинского алфавита). Другое объяснение состоит в том, что название происходит от того факта, что Z бозон имеет нулевой (Zero) электрический заряд.

Содержание

Основные свойства

Существует два типа W бозонов — с электрическим зарядом +1 и −1 (в единицах элементарного заряда); W+ является античастицей для W. Z бозон (или Z0) электрически нейтрален и является античастицей сам для себя. Все три частицы очень короткоживущие, со средним временем жизни около 3 • 10−25 секунд.

Эти бозоны — тяжеловесы среди элементарных частиц. С массой в 80.4 и 91.2 ГэВ/c2, соответственно, W и Z0 частицы почти в 100 раз тяжелее протона—тяжелее атомов железа. Масса этих бозонов очень важна для понимания слабого взаимодействия, поскольку ограничивает радиус действия слабого взаимодействия. Электромагнитные силы, напротив, имеют бесконечный радиус действия, потому что их бозон-переносчик (фотон) не имеет массы.

Все три типа имеют спин 1.

Испускание W+ или W- бозона может либо повысить, либо понизить электрический заряд испускающей частицы на 1 единицу и изменить спин на 1 единицу. В то же время W бозон может менять поколение частицы, например, превращать s-кварк в u-кварк. Z0 бозон не может менять ни электрический заряд, ни любой другой заряд (странность, очарование и т. д.) — только спин и импульс, так что он никогда не меняет поколение или аромат частицы, испускающей его (см. слабый нейтральный ток).

Слабое взаимодействие

W и Z бозоны — это частицы-переносчики, которые переносят слабое взаимодействие, как фотон является частицей-переносчиком для электромагнитного взаимодействия. Известно, что W бозон играет важную роль в ядерном распаде. Рассмотрим для примера бета-распад изотопа кобальта Co60, важный процесс, происходящий при взрыве сверхновых:

{}^{60}_{27}\hbox{Co}\to{}^{60}_{28}\hbox{Ni}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e

В этой реакции не участвует все ядро Co60, а только один из его 33 нейтронов. Нейтрон превращается в протон, испуская электрон (называемый здесь бета-частицей) и антинейтрино:

\hbox{n}\to \hbox{p}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e

Опять же сам нейтрон не является элементарной частицей, а является составной частицей, состоящей из u-кварка и двух d-кварков (udd). Так что на самом деле в бета-распаде участвует один из d-кварков, который превращается в u-кварк, чтобы сформировать протон (uud). Итак, на самом фундаментальном уровне слабое взаимодействие просто меняет аромат одного кварка:

\hbox{d}\to\hbox{u}+\hbox{W}^- \,

за которым немедленно следует распад самого W:

\hbox{W}^-\to\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e

Все квантовые числа Z бозона равны нулю, поскольку он является античастицей сам для себя. Следовательно, обмен Z бозоном между частицами, названный взаимодействием нейтральных токов, не меняет взаимодействующие частицы, исключая передачу импульса. В отличие от бета-распада наблюдения взаимодействий нейтральных токов требуют таких огромных денежных вложений в ускорители элементарных частиц и детекторы, что возможны только в нескольких лабораториях физики высоких энергий в мире.

Предсказание W и Z бозонов

Вслед за впечатляющими успехами квантовой электродинамики в 1950-х предпринимались попытки построить похожую теорию для слабого взаимодействия. Это удалось сделать в 1968 г. с построением общей теории электромагнетизма и слабых взаимодействий Шелдоном Глэшоу, Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, за которую они совместно получили Нобелевскую премию по физике 1979 г. ([3]). Их теория электрослабого взаимодействия предсказала не только W бозон, необходимый для объяснения бета-распада, но также новый Z бозон, который до этого никогда не наблюдался.

Тот факт, что W и Z бозоны имеют массу в то время, как фотон массы не имеет, был главным препятствием для развития теории электрослабого взаимодействия. Эти частицы точно описываются калибровочной симметрией SU(2), но бозоны в калибровочной теории должны быть безмассовыми. Так фотон является безмассовым бозоном, поскольку электромагнетизм описывается калибровочной симметрией U(1). Необходим некоторый механизм, который бы нарушал симметрию SU(2), в процессе придавая массу W и Z бозонам. Одно объяснение, механизм Хиггса, было предложено Питером Хиггсом в конце 1960-х. Оно предсказывает существование еще одной новой частицы — бозона Хиггса.

Сочетание калибровочной теории SU(2) слабого взаимодействия, электромагнитного взаимодействия и механизма Хиггса известно как модель Глэшоу-Вайнберга-Салама. Сейчас это один из столпов Стандартной модели физики элементарных частиц. На 2006 год единственное предсказание Стандартной модели, которое экспериментально не подтверждено — это предсказание существования бозона Хиггса.

Экспериментальное открытие W и Z бозонов

Открытие W и Z бозонов — одна из самых успешных страниц истории ЦЕРНа. Сначала, в 1973 г., производились наблюдения взаимодействий нейтральных токов, предсказанных теорией электрослабого взаимодействия. В огромной пузырьковой камере "Гаргамелла" были сфотографированы треки нескольких электронов, которые внезапно начинали двигаться, казалось бы, сами по себе. Это явление было интерпретировано как взаимодействие нейтрино и электрона при помощи обмена невидимым Z бозоном. Нейтрино также очень трудно детектировать, так что единственным наблюдаемым эффектом является импульс, полученный электроном после взаимодействия.

Открытия самих W и Z бозонов пришлось ждать, пока не стало возможным построить ускорители, достаточно мощные, чтобы создать их. Первой такой машиной стал Супер-Протон-Синхротрон, на котором были получены недвусмысленные доказательства существования W бозонов в сериях экспериментов, произведенных Карло Руббиа и Симоном ван дер Меер. (На самом деле эксперименты назывались UA1 (под руководством Руббиа) и UA2 и являлись совместным трудом многих людей. Ван дер Меер был руководителем работы на конце ускорителя (осуществляя стохастическое охлаждение).) UA1 и UA2 обнаружили Z бозон несколькими месяцами спустя, в мае 1983 г. Руббиа и Ван дер Меер были почти сразу же награждены Нобелевской премией по физике 1984 г. ([4]), что было необычным шагом со стороны консервативного Нобелевского фонда.

См. также

Ссылки

Частицы в физикеэлементарные частицы

Фермионы: Кварки: (Верхний · Нижний · Странный · Очарованный · Прелестный · Истинный) | Лептоны: (Электрон · Мюон · Тау · Нейтрино)
Калибровочные бозоны: Фотоны | W и Z бозоны | Глюоны
До сих пор не обнаружены: Хиггсовский бозон | Гравитон | Другие гипотетические частицы
 
Начальная страница  » 
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Home