W- и Z-бозоны | это... Что такое W- и Z-бозоны? (original) (raw)

_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. _Z_-частица получила такое имя, поскольку _Z_-бозон имеет нулевой (Zero) электрический заряд.

Содержание

• 1 Основные свойства
• 2 Слабое взаимодействие
• 3 Предсказание _W_- и _Z_-бозонов
• 4 Экспериментальное открытие _W_- и _Z_-бозонов
• 5 Каналы распада бозонов
• 6 См. также
• 7 Примечания
• 8 Ссылки

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:

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:

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:

за которым немедленно следует распад самого W−:

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 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 года[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.

Экспериментальное открытие _W_- и _Z_-бозонов

Пузырьковая камера «Гаргамель», выставленная в ЦЕРН

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 UA1 (под руководством Руббиа) и 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 года). Руббиа и Ван дер Меер были награждены Нобелевской премией по физике 1984 года[4] всего через полтора года после открытия, что было необычным шагом со стороны обычно консервативного Нобелевского фонда.

Каналы распада бозонов

_W_-бозон[1][5]
Канал распада	Вероятность
	10,75 %
	10,57 %
	11,25 %
адроны	67,60 %

_Z_-бозон с вероятностью 69,91 % распадается на адроны; вероятность того, что он распадётся на лептон и антилептон, составляет 10,10 %[2].

См. также

• Стандартная модель
• Калибровочный бозон
• Механизм Хиггса
• Список бозонов

Примечания

1. ↑ 1 2 K. Nakamura et al. (Particle Data Group), J. Phys. G 37, 075021 (2010). Калибровочные бозоны, _W_-бозон. Доступно на pdglive.lbl.gov (англ.)
2. ↑ 1 2 K. Nakamura et al. (Particle Data Group), J. Phys. G 37, 075021 (2010). Калибровочные бозоны, _Z_-бозон. Доступно на pdglive.lbl.gov (англ.)
3. ↑ The Nobel Prize in Physics 1979 (англ.)
4. ↑ The Nobel Prize in Physics 1984 (англ.)
5. ↑ Распады соответствующих античастиц получаются зарядовым сопряжением приведённых распадов.

Ссылки

• Сводная таблица свойств _W_-бозона на сайте Particle Data Group. (англ.)
• Сводная таблица свойств _Z_-бозона на сайте Particle Data Group. (англ.)
• W и Z страница ЦЕРНа (англ)
• W и Z частицы на Hyperphysics (англ)
• Z частица на Everything2 (англ)

Частицы в физике