Z-бозон | это... Что такое Z-бозон? (original) (raw)

_W_±- и _Z_-бозоны
Символ: _W_±, _Z_0
Состав: Элементарная частица
Семья: Бозон
Группа: Калибровочный бозон
Участвует во взаимодействиях: слабое, гравитационное,для W-бозонов также электромагнитное
Теоретически обоснована: Глэшоу, Вайнберг, Салам (1968)
Обнаружена: совместные эксперименты UA2, 1983
Масса: W: 80,403±0,029 ГэВ/c2 [1] Z: 91,1876±0,0021 ГэВ/c2 [2]
Время жизни: ~3×10−25 с(ширины распада: _W_-бозон 2,141 ГэВ, _Z_-бозон 2,4952 ГэВ)
Электрический заряд: W: ±1 e Z: 0 e
Цветовой заряд: 0
Спин: 1
Кол-во спиновых состояний: 3

_W_- и _Z_-бозо́ны — элементарные частицы, переносчики слабого взаимодействия. Их открытие (ЦЕРН, 1983) 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 _Z_0) 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 _Z_0-частицы почти в 100 раз тяжелее протона и близки к массе атомов рубидия и технеция, соответственно. 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 бозонов 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. _Z_0 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 слабого взаимодействия, как фотон является частицей-переносчиком для электромагнитного взаимодействия. _W_-бозон играет важную роль в ядерном бета-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 участвует не всё ядро Co60, а только один из его 33 нейтронов. Нейтрон превращается в протон, испуская электрон (называемый здесь бета-частицей) и электронное антинейтрино:

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

Опять же сам нейтрон является не элементарной, а 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 (истинно нейтральной частицей). Следовательно, обмен _Z_-бозоном между частицами, названный взаимодействием нейтральных токов, не меняет взаимодействующие частицы. 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 ещё 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 «Гаргамель», облучаемой пучком нейтрино от ускорителя, 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-протонный синхротрон (СПС), на котором были получены недвусмысленные доказательства существования _W_-бозонов в сериях экспериментов, выполненных Карло Руббиа и Симоном ван дер Меером. На самом деле эти экспериментальные установки (и коллаборации, создавшие их) назывались UA2. Как и большинство крупных экспериментов в физике высоких энергий, они являлись совместным трудом многих людей. Ван дер Меер был руководителем группы, управляющей ускорителем (изобретатель концепции стохастического охлаждения, сделавшей возможным открытие _W_- и _Z_-бозонов). Частицы рождались в столкновении встречных пучков протонов и антипротонов. Через несколько месяцев после обнаружения _W_-бозона (январь 1983) коллаборации UA1 и UA2 открыли _Z_-бозон (май 1983). Руббиа и Ван дер Меер были награждены Нобелевской премией по физике 1984 г. ([4]) всего через полтора года после открытия, что было необычным шагом со стороны обычно консервативного Нобелевского фонда.

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation.2010.