W и Z бозоны
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
| W±- и Z-бозоны | |
| Символ: | W±, Z0 |
|---|---|
| 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 UA1 и 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 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 |
[править] 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 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. 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).
[править] Слабое взаимодействие
W- и Z-бозоны — это частицы-переносчики слабого взаимодействия, 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:
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 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 элементарных частиц и детекторы, что возможны только в нескольких лабораториях физики высоких энергий в мире.
[править] 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.
[править] 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.
[править] См. также
[править] 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)
| Править | |
| Фермионы: Кварки: Верхний · Нижний · Странный · Очарованный · Прелестный · Истинный | |
| Лептоны: Электрон · Позитрон · Мюон · Тау-лептон · Нейтрино
|
|
| Калибровочные бозоны: Фотоны · W и Z бозоны · Глюоны
|
|
| До сих пор не обнаружены: Хиггсовский бозон · Гравитон · Другие гипотетические частицы | |
