Войти
| Состав | Элементарная частица |
|---|---|
| Статистика | Бозонная |
| Взаимодействия | Слабое взаимодействие |
| Теоретически | Глэшоу, Вайнберг, Салам (1968) |
| Обнаружены | UA1 и UA2 сотрудничества, ЦЕРН, 1983 |
| Масса | W: 80,379 ± 0,012 ГэВ / c. Z: 91,1876 ± 0,0021 ГэВ / c |
| Ширина распада | W: 2,085 ± 0,042 ГэВ / c. Z: 2,4952 ± 0,0023 ГэВ / c |
| Электрический заряд | W: ± 1 e. Z: 0 e |
| Спин | 1 |
| Слабый изоспин | W: ± 1. Z: 0 |
| Слабый гиперзаряд | 0 |
W- и Z-бозоны вместе известны как слабые или, в более общем смысле, как промежуточные векторные бозоны. Эти элементарные частицы опосредуют слабое взаимодействие ; соответствующие символы:. W.,. W. и. Z.. Бозоны. W. имеют положительный или отрицательный электрический заряд, равный 1 элементарному заряду, и являются античастицами друг друга. Бозон. Z. электрически нейтрален, а является собственной античастицей. Эти три частицы имеют спин , равный 1. Бозоны. W. имеют магнитный момент, а. Z. его нет. Все три из этих частиц очень короткоживущие, с периодом полураспада около 3 × 10 с. Их экспериментальное открытие сыграло решающую роль в установлении того, что сейчас называется Стандартной моделью физики элементарных частиц.
Бозоны. W. названы в честь силы w eak. физик Стивен Вайнберг назвал дополнительную частицу «. Z. частица», а позже объяснил, что это последняя дополнительная частица, необходимая для модели. Бозоны. W. уже были названы, а бозоны. Z. были названы из-за наличия электрического заряда z ero.
Два . W. бозона являются проверенными медиаторами нейтрино поглощение и испускание. Во время этих процессов заряд бозона. W. вызывает испускание или поглощение электронов или позитронов, что вызывает ядерную трансмутацию.
. Z. бозон обеспечивает передачу импульса, спина и энергии при рассеянии нейтрино упруго из материи (процесс, сохраняющий заряд). Такое поведение почти так же часто, как неупругие нейтринные взаимодействия, и может наблюдаться в пузырьковых камерах при облучении пучками нейтрино. Бозон. Z. не участвует в поглощении или испускании электронов или позитронов. Когда электрон наблюдается как новая свободная частица, внезапно движущаяся с кинетической энергией, предполагается, что это результат непосредственного взаимодействия нейтрино с электроном, поскольку такое поведение происходит чаще, когда присутствует пучок нейтрино. В этом процессе нейтрино просто ударяет электрон, а затем рассеивается от него, передавая ему часть импульса нейтрино.
Эти бозоны относятся к числу тяжеловесов элементарных частиц. С массой 80,4 ГэВ / c и 91,2 ГэВ / c соответственно, бозоны. W. и. Z. почти в 80 раз массивнее протона - даже тяжелее чем целые атомы железа .
Их большие массы ограничивают диапазон слабого взаимодействия. В отличие от этого, фотон является носителем силы электромагнитной силы и имеет нулевую массу, что соответствует бесконечному диапазону электромагнетизма ; гипотетический гравитон также должен иметь нулевую массу. (Хотя глюоны также считаются имеющими нулевую массу, диапазон цветовой силы ограничен по разным причинам; см. ограничение цвета.)
Все три бозона имеют спин частицы s = 1. Излучение бозона. W. или. W. либо увеличивает, либо понижает электрический заряд излучающей частицы на одну единицу, а также изменяет спин на одну единицу. В то же время излучение или поглощение бозона. W. может изменить тип частицы - например, преобразовать странный кварк в верхний кварк. Нейтральный Z-бозон не может изменить электрический заряд какой-либо частицы, а также не может изменить любой другой из так называемых «зарядов » (таких как странность, барионное число, оберег и т. Д.). Излучение или поглощение бозона. Z. может изменить только спин, импульс и энергию другой частицы. (См. Также слабый нейтральный ток.)
Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронный антинейтрино через промежуточный бозон. W. Бозоны. W. и. Z. являются частицами-носителями, которые передают слабую ядерную силу, подобно тому, как фотон является частицей-носителем для электромагнитной силы.
. W. бозоны наиболее известны своей ролью в распаде ядра. Рассмотрим, например, бета-распад кобальта-60.
. Эта реакция не затрагивает все ядро кобальта-60 , а затрагивает только один из его 33 нейтронов.. Нейтрон превращается в протон, а также испускает электрон (в данном контексте он называется бета-частица ) и электронный антинейтрино:
Опять же, нейтрон не элементарная частица, а смесь верхний кварк и два нижних кварка (udd). Фактически, это один из нижних кварков, который взаимодействует в бета-распаде, превращаясь в верхний кварк с образованием протона (uud). Таким образом, на самом фундаментальном уровне слабое взаимодействие изменяет аромат одного кварка:
, за которым сразу следует распад самого. W. :
Бозон. Z. является собственной античастицей. Таким образом, все его квантовые числа и заряды равны нулю. Обмен бозоном. Z. между частицами, называемый взаимодействием нейтральным током, поэтому не затрагивает взаимодействующие частицы, за исключением передачи спина и / или импульса.. Z. бозонных взаимодействий с участием нейтрино имеют различные сигнатуры: они обеспечивают единственный известный механизм упругого рассеяния нейтрино в веществе; нейтрино имеют почти такую же вероятность упругого рассеяния (посредством обмена. Z. бозонами), так и неупругого (посредством обмена W-бозонами). Вскоре после этого (также в 1973 г.) были подтверждены слабые нейтральные токи через обмен. Z. бозонами в нейтринном эксперименте в пузырьковой камере Гаргамель в пузырьковой камере в ЦЕРН.
A Диаграмма Фейнмана, показывающая обмен парой бозонов. W.. Это один из основных членов, способствующих нейтральной каонной осцилляции. После успеха квантовой электродинамики в 1950-х годах были предприняты попытки сформулировать аналогичную теорию слабой ядерной сила. Это привело к появлению единой теории электромагнетизма и слабых взаимодействий, разработанной Шелдоном Глэшоу, Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, для которых они разделили 1979 Нобелевская премия по физике. Их электрослабая теория постулировала не только. W. бозоны, необходимые для объяснения бета-распада, но и новый. Z. бозон, который никогда не наблюдался.
Тот факт, что бозоны. W. и. Z. имеют массу, в то время как фотоны безмассовые, был основным препятствием в развитии электрослабой теории. Эти частицы точно описываются калибровочной теорией SU (2) , но бозоны в калибровочной теории должны быть безмассовыми. В качестве примера, фотон не имеет массы, потому что электромагнетизм описывается калибровочной теорией U (1). Требуется какой-то механизм, чтобы нарушить симметрию SU (2), придавая массу. W. и. Z. в процессе. Эту роль выполняет механизм Хиггса, впервые предложенный 1964 PRL, нарушение симметрии. Это требует существования другой частицы, бозона Хиггса, который с тех пор был обнаружен на Большом адронном коллайдере. Из четырех компонентов бозона Голдстоуна, созданного полем Хиггса, три поглощаются бозонами. W.,. Z. и. W., образуя свои продольные компоненты, а оставшаяся часть представляет собой бозон Хиггса со спином 0.
Комбинация калибровочной теории слабого взаимодействия SU (2), электромагнитного взаимодействия и механизма Хиггса известна как модель Глэшоу – Вайнберга – Салама. Сегодня это широко принято в качестве одного из столпов Стандартной модели физики элементарных частиц, особенно с учетом открытия в 2012 г. бозона Хиггса в экспериментах CMS и ATLAS.
Модель предсказывает, что бозоны. W. и. Z. имеют следующие массы:
где 
Гаргамель пузырьковая камера, теперь выставленная в ЦЕРН В отличие от бета-распада, Наблюдение взаимодействий нейтрального тока, в которых участвуют частицы, отличные от нейтрино, требует огромных вложений в ускорители частиц и детекторы, которые доступны лишь в немногих физике высоких энергий Лаборатории в мире (и то только после 1983 года). Это связано с тем, что бозоны. Z. ведут себя примерно так же, как фотоны, но не становятся важными, пока энергия взаимодействия не сравнима с относительно огромной массой бозона. Z..
Открытие бозонов. W. и. Z. считалось большим успехом ЦЕРНа. Во-первых, в 1973 году было обнаружено взаимодействие нейтральных токов, предсказанное электрослабой теорией. Огромная пузырьковая камера Гаргамель сфотографировала следы нескольких электронов, которые внезапно начали двигаться, по-видимому, сами по себе. Это интерпретируется как взаимодействие нейтрино с электроном путем обмена невидимым бозоном. Z.. В противном случае нейтрино невозможно обнаружить, поэтому единственный наблюдаемый эффект - это импульс, передаваемый электрону в результате взаимодействия.
Открытие самих бозонов. W. и. Z. пришлось ждать, пока не будет построен ускоритель элементарных частиц, достаточно мощный, чтобы их произвести. Первой такой машиной, которая стала доступной, был суперпротонный синхротрон, на котором в январе 1983 года были замечены однозначные сигналы W-бозонов во время серии экспериментов, которые стали возможными благодаря Карло Руббиа и Саймон ван дер Меер. Настоящие эксперименты назывались UA1 (возглавлял Руббиа) и UA2 (возглавлял Пьер Дарриулат ) и были совместными усилиями многих людей. Ван дер Меер был движущей силой на стороне акселератора (стохастическое охлаждение ). UA1 и UA2 обнаружили бозон. Z. несколько месяцев спустя, в мае 1983 года. Руббиа и ван дер Меер были незамедлительно награждены Нобелевской премией 1984 года по физике, что является весьма необычным шагом для консервативного Нобелевского фонда.
254>и. Z. бозоны вместе с фотоном (. γ.) составляют четыре калибровочных бозона электрослабого взаимодействия .
. W. и. Z. бозоны распадаются на фермионные пары, но ни. W., ни. Z. бозоны не имеют достаточной энергии для распада на топ-кварк с наибольшей массой. Пренебрегая эффектами фазового пространства и поправками более высокого порядка, простые оценки их долей ветвления могут быть вычислены из констант связи.
. W. бозоны могут распадаться до лептон и антилептон (один из них заряженный, а другой нейтральный) или кварк и антикварк противоположных типов. Ширина распада W-бозона на пару кварк-антикварк пропорциональна соответствующему квадрату элемента матрицы CKM и количеству кварков цветов, N C = 3. Тогда ширина распада W-бозона пропорциональна:
| лептонов | Up-кварков | очаровательных кварков | |||
|---|---|---|---|---|---|
| . e.. ν. e | 1 | . u.. d. | 3 | V ud| | . c.. d. | 3 | V cd| |
| . μ.. ν. μ | 1 | . u.. s. | 3 | V us| | . c.. s. | 3 | V cs| |
| . τ.. ν. τ | 1 | . u.. b. | 3 | V ub| | . c.. b. | 3 | V cb| |
Здесь. e.,. μ.,. τ. обозначают три аромата лептонов (точнее, положительно заряженные антилептоны ).. ν. e,. ν. μ,. ν. τобозначают три вида нейтрино. Остальные частицы, начиная с. u. и. d., все обозначают кварки и антикварки (применяется коэффициент N C). Различные V i j обозначают соответствующие коэффициенты матрицы CKM.
Унитарность матрицы CKM означает, что | V ud | + | V нас | + | V уб | = | V cd | + | V cs | + | V cb | = 1. Следовательно, лептонные коэффициенты ветвления W-бозона приблизительно равны B (. e.. ν. e) = B (. μ.. ν. μ) = B (. τ.. ν. τ) = 1/9. В отношении степени ветвления адронов преобладают конечные состояния. u.. d. и. c.. s., благоприятствующие CKM. Сумма коэффициентов ветвления адронов была измерена экспериментально и составила 67,60 ± 0,27%, при B (lν l) = 10,80 ± 0,09%.
. Z. бозоны распадаются на фермион и его античастицу. Поскольку бозон. Z. представляет собой смесь пре- нарушающих симметрию бозонов. W. и. B. (см. угол слабого смешивания ), каждый вершинный фактор включает фактор T 3 - Q sinθ W, где T 3 - третий компонент слабого изоспина фермиона (" заряд "для слабого взаимодействия), Q - электрический заряд фермиона (в единицах элементарного заряда ), а θ W - слабый угол смешивания. Поскольку слабый изоспин различен для фермионов с разной хиральностью, будь то левосторонний или правосторонний, связь также различна.
относительные силы каждой связи можно оценить, учитывая, что скорости распада включают квадрат этих факторов и все возможные диаграммы (например, сумма по семействам кварков, а также левый и правый вклады). Результаты, представленные в таблице ниже, являются приблизительными, поскольку они включают только древовидные диаграммы взаимодействия в теории Ферми.
| Частицы | Эффективный заряд (T 3) | Относительный коэффициент | Ветвление отношение | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Название | Символы | L | R | Прогноз для x = 0,23 | Экспериментальные измерения | |
| Нейтрино (все) | . ν. e,. ν. μ,. ν. τ | 1/2 | 0 | 3 (1/2) | 20,5% | 20,00 ± 0,06% |
| Заряженные лептоны (все) | . e.,. μ.,. τ. | 3 (-1/2 + x) + 3 x | 10,2% | 10,097 ± 0,003% | ||
| Электрон | . e. | −1/2 + x | x | (−1/2 + x) + x | 3,4% | 3,363 ± 0,004% |
| Мюон | . μ. | −1/2 + x | x | (−1/2 + x) + x | 3,4% | 3,366 ± 0,007% |
| Тау | . τ. | −1/2 + x | x | (−1/2 + x) + x | 3,4% | 3,367 ± 0,008% |
| Адроны (кроме *. t.) | 69,2% | 69,91 ± 0,06% | ||||
| кварки нижнего типа | . d.,. s.,. b. | −1/2 + 1 / 3x | 1 / 3x | 3 (−1 / 2 + 1 / 3x) + 3 (1 / 3x) | 15,2% | 15,6 ± 0,4% |
| кварки Up-типа | . u.,. c. | 1/2 - 2 / 3x | −2 / 3x | 3 (1/2 - 2 / 3x) + 3 (−2 / 3x) | 11,8% | 11,6 ± 0,6 % |
