W і Z бозони

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

В фізиці W і Z бозони — елементарні частинки, що переносять слабку взаємодію. Їх відкриття 1983 року в ЦЕРНі вважають одним з найголовніших успіхів Стандартної моделі фізики елементарних частинок. W частинку названо за першою літерою англійської назви слабкої взаємодії (Weak). Іноді напівжартома кажуть, що Z частинка отримала таку назву, оскільки мала б стати останньою частинкою, яку взагалі потрібно відкрити. (Z — остання буква латинського алфавіту). Інше пояснення полягає в тому, що назва походить від того факту, що Z бозон має нульовий (Zero) електричний заряд.

Основні властивості[ред.ред. код]

Існує два типи W бозонів — з електричним зарядом +1 і -1 (в одиницях елементарного заряду); W+ є античастинкою для W. Z бозон (або Z0) електрично нейтральний і є античасткою сам для себе. Всі три частинки дуже короткоживучі, із середнім часом життя близько 3 • 10−25 секунд.

Ці бозони — «важкоатлети» серед елементарних частинок. З масою в 80,4 та 91,2 ГеВ/c2, відповідно, W і Z0 частинки майже в 100 разів масивніші протона — і навіть масивніші атомів заліза. Маса цих бозонів дуже важлива для розуміння слабкої взаємодії, оскільки обмежує радіус дії слабкої взаємодії. Електромагнітні сили, навпаки, мають нескінченний радіус дії, тому що їх бозон-переносник (фотон) не має маси.

Всі три бозони мають спін 1.

Розпад частинки з утворенням W+ або W бозона може або підвищити, або знизити електричний заряд частинки, що його випромінює, на 1 одиницю і змінити спін на 1 одиницю. В той же час W бозон може змінювати покоління частинки, наприклад, перетворювати s-кварк в u-кварк. Z0 бозон не може змінювати ні електричний заряд, ні будь-який інший заряд (дивність, чарівність і т. д.) — лише спін та імпульс, отже він ніколи не змінює покоління чи аромат частинки, що випромінює його (див. слабкий нейтральний струм).

Слабка взаємодія[ред.ред. код]

W і Z бозони — це частинки-переносники, які переносять слабку взаємодію, як фотон є частинкою-переносником для електромагнітної взаємодії. Відомо, що W бозон відіграє важливу роль у ядерному розпаді. Розглянемо для прикладу бета-розпад ізотопу кобальта Co60, важливий процес, що відбувається під час вибухів наднових:

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

В цій реакції бере участь не все ядро Co60, а лише один з 33 його нейтронів. Нейтрон перетворюється на протон, випромінюючи електрон (який називається тут бета-частинкою) і антинейтрино:

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

Знову ж таки, сам нейтрон не є елементарною частинкою, а є складною частинкою, що складається з u-кварка і двох d-кварків (udd). Отже, насправді в бета-розпаді бере участь один з d-кварків, який перетворюється на u-кварк, щоб сформувати протон (uud). Отже, на найфундаментальнішому рівні слабка взаємодія просто змінює аромат одного кварка:

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

за яким негайно відбувається розпад самого W:

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

Всі квантові числа Z бозона дорівнюють нулю, оскільки він є античастинкою сам для себе. Отже, обмін Z бозоном між частинками, який називають взаємодією нейтральних струмів, не змінює частинки, котрі взаємодіють, за винятком передачі імпульсу. На відміну від бета-розпаду, спостереження взаємодій нейтральних струмів вимагають таких величезних грошових вкладень у прискорювачі елементарних частинок і детектори, що можливі лише в декількох лабораторіях фізики високих енергій у світі.

Передбачення W і Z бозонів[ред.ред. код]

Після вражаючих успіхів квантової електродинаміки в 1950-х робилися спроби побудувати схожу теорію для слабкої взаємодії. Це вдалося зробити 1968 року шляхом побудови загальної теорії електромагнетизму і слабких взаємодій Шелдоном Глешоу, Стівеном Вайнбергом і Абдусом Саламом, за яку вони разом отримали Нобелівську премію з фізики за 1979[1]. Їх теорія електрослабкої взаємодії передбачила не лише W-бозон, необхідний для пояснення бета-розпаду, але також і новий Z-бозон, який до цього ніколи не спостерігався.

Той факт, що W і Z бозони мають масу, тоді як фотон маси не має, був основною перешкодою для розвитку теорії електрослабкої взаємодії. Ці частинки точно описуються калібрувальною симетрією SU(2), але бозони в калібрувальній теорії мають бути безмасовими. Так фотон є безмасовим бозоном, оскільки електромагнетизм описується калібрувальною симетрією U(1). Необхідний деякий механізм, який би порушував симетрію SU(2), в процесі надаючи масу W і Z бозонам. Одне пояснення, механізм Хігса, було запропоновано Пітером Хігсом наприкінці 1960-х. Воно передбачає існування ще однієї нової частинки — бозона Хігса.

Поєднання калібрувальної теорії SU(2) слабкої взаємодії, електромагнітної взаємодії і механізму Хігса відоме як модель Глешоу-Вайнберга-Салама. Зараз це один зі стовпів Стандартної моделі фізики елементарних частинок. На 2006 рік єдиний прогноз Стандартної моделі, який експериментально не підтверджено — це існування бозона Хігса.

Експериментальне відкриття W і Z бозонів[ред.ред. код]

Відкриття W і Z бозонів — одна з найуспішніших сторінок історії ЦЕРНу. Спочатку, 1973 року, здійснювалося спостереження взаємодій нейтральних струмів, передбачених теорією електрослабкої взаємодії. У величезній бульбашковій камері «Гаргамелла» було сфотографовано треки декількох електронів, які раптово починали рухатися, здавалося б, самі собою. Це явище було інтерпретовано як взаємодія нейтрино і електрона за допомогою обміну невидимим Z бозоном. Нейтрино також дуже важко детектувати, так що єдиним спостережуваним ефектом є імпульс, отриманий електроном після взаємодії.

Відкриття самих W і Z бозонів довелося чекати, поки не стало можливим побудувати прискорювачі, достатньо могутні, щоб створити їх. Першою такою машиною став Супер-Протон-синхротрон, на якому було отримано недвозначні докази існування W бозонів у серіях експериментів, здійснених Карло Рубіа і Симоном ван дер Меєр. (Насправді експерименти називалися UA1 (під керівництвом Рубіа) і UA2, і були спільною працею багатьох людей. Ван дер Меєр був керівником робіт на кінці прискорювача, виконуючи стохастичне охолодження).) UA1 і UA2 знайшли Z бозон через декілька місяців, у травні 1983 року. Рубіа і Ван дер Меєра було майже одразу нагороджено Нобелівською премією з фізики за 1984[2], що було доволі незвичайним кроком для консервативної Нобелівської фундації.

Див. також[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]

Посилання в тексті[ред.ред. код]