W і Z бозони

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

В фізиці W і Z бозони — це елементарні частинки, що переносять слабку взаємодію. Їх відкриття в 1983 р. в ЦЕРНі вважається одним з найголовніших успіхів Стандартної моделі фізики елементарних частинок. W частинка названа по першій букві назви взаємодії — слабка (Weak) взаємодія. Іноді напівжартома говорять, що Z частинка отримала таке ім'я, оскільки повинна була 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.

Зміст

[ред.] Основні властивості

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, з середнім часом життя близько 3 • 10-25 секунд.

Ці бозони — важкоатлети серед елементарних частинок. З масою в 80.4 і 91.2 ГеВ/c2, відповідно, W і Z0 частинки майже в 100 разів важчі протона — тяжчі 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 типи мають спін 1.

Випускання W+ або W- бозона може або підвищити, або понизити електричний заряд випускаючої частинки на 1 одиницю і змінити спін на 1 одиницю. В той же час W бозон може міняти покоління частинки, наприклад, перетворювати s-кварк в u-кварк. Z0 бозон не може міняти ні електричний заряд, ні будь-який інший заряд (дивність, чарівність і т. д.) — тільки спін та імпульс, отже він ніколи не міняє покоління або аромат частинки, що випускає його (див. слабкий нейтральний струм).

[ред.] Слабка взаємодія

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

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

В цій реакції не бере участь все ядро Co60, а тільки один з його 33 нейтронів. Нейтрон перетворюється на протон, випускаючи 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 в 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 слідує розпад самого W:

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

Всі квантові числа Z бозона рівні нулю, оскільки він є античастинкою сам для себе. Отже, обмін Z бозоном між частинками, названий взаємодією нейтральних струмів, не змінює частинки, котрі взаємодіють, виключаючи передачу імпульса. На відміну від бета-розпаду, спостереження взаємодій нейтральних струмів вимагають таких величезних грошових вкладень в прискорювачі елементарних частинок і детектори, що можливі тільки в декількох лабораторіях фізики високих енергій в світі.

[ред.] Прогноз W і Z бозонів

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

Той факт, що W і Z бозони мають масу в той час, як фотон маси не має, був головною перешкодою для розвитку теорії електрослабкої взаємодії. Ці частинки точно описуються калібрувальною симетрією SU(2), але бозони в калібрувальній теорії повинні 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 додаючи масу W і Z бозонам. Одне пояснення, механізм Хігса, було запропоновано Пітером Хігсом в кінці 1960-х. Воно передбачає існування ще однієї нової частинки — бозону 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 підтверджений — цей прогноз існування бозону Хігса.

[ред.] Експериментальне відкриття W і Z бозонів

Відкриття W і Z бозонів — одна з найуспішніших сторінок історії ЦЕРНу. Спочатку, в 1973 р., проводилися спостереження взаємодій нейтральних струмів, передбачених теорією електрослабкої взаємодії. У величезній бульбашковій камері "Гаргамелла" були сфотографовані треки декількох електронів, які раптово починали рухатися, здавалося б, самі по собі. 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 були отримані недвозначні докази існування W бозонів в серіях експериментів, проведених Карло Рубіа і Симоном ван дер Меєр. (Насправді експерименти називалися UA1 (під керівництвом Рубіа) і UA2, і були сумісною працею багатьох людей. Ван дер Меєр був керівником роботи на кінці прискорювача (здійснюючи стохастичне охолодження).) UA1 і UA2 знайшли Z бозон через декілька місяців, в травні 1983 р. Рубіа і Ван дер Меєр були майже зразу ж нагороджені Нобелівською премією по фізиці 1984 р. ([2]), що було незвичайним кроком з боку консервативної Нобелівської фундації.

[ред.] Див. також

[ред.] Посилання