W- и Z-бозоны - W and Z bosons
Состав | Элементарная частица |
---|---|
Статистика | Бозонный |
Семья | Калибровочный бозон |
Взаимодействия | Слабое взаимодействие |
Теоретически | Глэшоу , Вайнберг , Салам (1968) |
Обнаруженный | Сотрудничество UA1 и UA2 , ЦЕРН , 1983 г. |
Масса | W: 80,379 ± 0,012 ГэВ / c 2
Z:91,1876 ± 0,0021 ГэВ / c 2 |
Ширина распада | W: 2,085 ± 0,042 ГэВ / c 2
Z:2,4952 ± 0,0023 ГэВ / c 2 |
Электрический заряд | W: ± 1 e Z: 0 e |
Вращаться | 1 |
Слабый изоспин | Ш: ± 1 З: 0 |
Слабый гиперзаряд | 0 |
В физике элементарных частиц , то W и Z бозонов являются векторные бозоны , которые вместе известны как слабые бозонов или в более общем плане, как промежуточных векторных бозонов . Эти элементарные частицы посредничать в слабом взаимодействии ; соответствующие символы
W+
,
W-
, а также
Z0
. В
W±
бозоны имеют положительный или отрицательный электрический заряд, равный 1 элементарному заряду, и являются античастицами друг друга . В
Z0
бозон электрически нейтрален и является собственной античастицей . Каждая из трех частиц имеет спин 1.
W±
бозоны обладают магнитным моментом, но
Z0
нет ни одного. Все три из этих частиц очень недолговечны, с периодом полураспада около3 × 10 −25 с . Их экспериментальное открытие сыграло решающую роль в установлении того , что теперь называется стандартная модель из физики элементарных частиц .
В
W
бозоны названы в честь слабой силы. Физик Стивен Вайнберг назвал дополнительную частицу "
Z
частица ", а позже объяснил, что это последняя дополнительная частица, необходимая модели.
W
бозоны уже были названы, и
Z
бозоны были названы за отсутствие электрического заряда.
Два
W
бозоны являются проверенными медиаторами поглощения и испускания нейтрино . Во время этих процессов
W±
бозонный заряд вызывает испускание или поглощение электронов или позитронов, вызывая ядерную трансмутацию .
В
Z
бозон обеспечивает передачу импульса, спина и энергии, когда нейтрино упруго рассеиваются от материи (процесс, который сохраняет заряд). Такое поведение почти так же часто, как неупругие нейтринные взаимодействия, и может наблюдаться в пузырьковых камерах при облучении нейтринными пучками. В
Z
бозон не участвует в поглощении или испускании электронов или позитронов. Всякий раз, когда электрон наблюдается как новая свободная частица, внезапно движущаяся с кинетической энергией, предполагается, что это результат взаимодействия нейтрино с электроном (с передачей импульса через Z-бозон), поскольку такое поведение происходит чаще, когда нейтрино луч присутствует. В этом процессе нейтрино просто ударяет по электрону (посредством обмена бозоном), а затем рассеивается от него, передавая часть импульса нейтрино электрону.
Основные свойства
Эти бозоны относятся к числу тяжеловесов элементарных частиц. С массами из80,4 ГэВ / c 2 и91,2 ГэВ / c 2 соответственно,
W
а также
Z
бозоны почти в 80 раз массивнее протона и даже тяжелее целых атомов железа .
Их большие массы ограничивают диапазон слабого взаимодействия. В отличие от этого фотон является переносчиком электромагнитной силы и имеет нулевую массу, что соответствует бесконечному диапазону электромагнетизма ; гипотетический гравитон также должен иметь нулевую массу. (Хотя предполагается, что глюоны также имеют нулевую массу, диапазон цветовой силы ограничен по разным причинам; см . Ограничение цвета .)
Все три бозона имеют спин s = 1. Излучение
W+
или
W-
бозон либо снижает, либо увеличивает электрический заряд излучающей частицы на одну единицу, а также изменяет спин на одну единицу. В то же время испускание или поглощение
W±
бозон может изменить тип частицы - например, превратить 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 » (например, странность , барионное число , очарование и т. Д.). Эмиссия или поглощение
Z0
бозон может изменять только спин, импульс и энергию другой частицы. (См. Также слабый нейтральный ток .)
Отношение к слабому ядерному взаимодействию
В
W
а также
Z
бозоны - это частицы-носители, которые передают слабое ядерное взаимодействие, так же как фотон является частицей-носителем для электромагнитного взаимодействия.
W бозоны
В
W±
бозоны наиболее известны своей ролью в ядерном распаде . Рассмотрим, к примеру, бета - распад с кобальтом-60 .
Эта реакция не затрагивает все ядро кобальта-60 , а затрагивает только один из 33 его нейтронов. Нейтрон превращается в протон, а также испускает электрон ( в данном контексте называемый бета-частицей ) и электронный антинейтрино:
Опять же , нейтрон не является элементарной частицей , а композит из кварк и два вниз кварки ( УДА ). 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 отдельного кварка:
за которым сразу следует распад
W-
сам:
Z-бозоны
В
Z0
бозон - это собственная античастица . Таким образом, все его ароматные квантовые числа и заряды равны нулю. Обмен
Z
бозон между частицами, называемый взаимодействием нейтрального тока , поэтому не затрагивает взаимодействующие частицы, за исключением передачи спина и / или импульса .
Z
бозонные взаимодействия с участием нейтрино имеют отчетливые признаки: они обеспечивают единственный известный механизм упругого рассеяния нейтрино в веществе; нейтрино почти так же склонны к упругому рассеянию (через
Z
бозонный обмен) как неупруго (через W-бозонный обмен). Слабые нейтральные токи через
Z
Вскоре после этого (также в 1973 г.) бозонный обмен был подтвержден в нейтринном эксперименте в пузырьковой камере Гаргамеля в ЦЕРНе .
Предсказания бозонов W + , W - и Z 0
После успеха квантовой электродинамики в 1950-х годах были предприняты попытки сформулировать аналогичную теорию слабого ядерного взаимодействия. Это привело к созданию единой теории электромагнетизма и слабых взаимодействий Шелдона Глэшоу , Стивена Вайнберга и Абдуса Салама в 1968 году , за которую они разделили Нобелевскую премию по физике 1979 года . Их теория электрослабого взаимодействия постулировала не только
W
бозоны, необходимые для объяснения бета-распада, но также и новый
Z
бозон, который никогда не наблюдался.
Тот факт, что
W
а также
Z
бозоны обладают массой, в то время как фотоны безмассовы, что было основным препятствием в развитии электрослабой теории. Эти частицы точно описываются калибровочной теорией SU (2) , но бозоны в калибровочной теории должны быть безмассовыми. В данном случае фотон безмассовый, потому что электромагнетизм описывается калибровочной теорией U (1) . Требуется какой-то механизм, чтобы нарушить симметрию SU (2), придавая массе
W
а также
Z
в процессе. Механизм Хиггса , во- первыхи , выдвинутый 1964 PRL нарушения симметрии работ , выполняет эту роль. 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
W+
,
Z0
, и
W-
бозоны образуют свои продольные компоненты, а оставшаяся часть выглядит как 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 году бозона Хиггса в экспериментах CMS и ATLAS .
Модель предсказывает, что
W±
а также
Z0
бозоны имеют следующие массы:
где - калибровочная связь SU (2), - калибровочная связь U (1) и - значение ожидания вакуума Хиггса .
Открытие
В отличие от бета-распада, наблюдение взаимодействий нейтрального тока, в которых участвуют частицы, отличные от нейтрино, требует огромных инвестиций в ускорители и детекторы частиц , которые доступны лишь в нескольких лабораториях физики высоких энергий в мире (и то только после 1983 года). Это потому что
Z
бозоны ведут себя примерно так же, как фотоны, но не становятся важными до тех пор, пока энергия взаимодействия не сравнима с относительно огромной массой
Z
бозон.
Открытие
W
а также
Z
бозоны считались главным 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
Z
бозон. В противном случае нейтрино невозможно обнаружить, поэтому единственный наблюдаемый эффект - это импульс, сообщаемый электрону в результате взаимодействия.
Открытие
W
а также
Z
Сами бозоны должны были дождаться создания достаточно мощного ускорителя частиц, чтобы их произвести. Первой такой машиной, которая стала доступной, был суперпротонный синхротрон , на котором однозначные сигналы W-бозонов были замечены в январе 1983 года во время серии экспериментов, которые стали возможными благодаря Карло Руббиа и Саймону ван дер Мееру . Фактические эксперименты назывались UA1 (под руководством Руббиа) и UA2 (под руководством Пьера Дарриулата ) и были совместными усилиями многих людей. Ван дер Меер был движущей силой на стороне акселератора ( стохастическое охлаждение ). UA1 и UA2 нашли
Z
boson несколько месяцев спустя, в мае 1983 года. Руббиа и ван дер Меер были незамедлительно награждены Нобелевской премией по физике 1984 года, что было весьма необычным шагом для консервативного Нобелевского фонда .
В
W+
,
W-
, и
Z0
бозоны вместе с фотоном (
γ
), Включают в себя четыре калибровочных бозонов на электрослабого взаимодействия .
Разлагаться
В
W
а также
Z
бозоны распадаются на пары фермионов, но ни
W
ни
Z
бозоны обладают достаточной энергией, чтобы распадаться 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
W
бозоны могут распадаться на лептон и антилептон (один из них заряжен, а другой нейтральный) или на кварк и антикварк дополнительных типов (с противоположными электрическими зарядами ±+1 ⁄ 3 и ∓+2 ⁄ 3 ). Ширина распада от W бозона на пары кварк-антикварк пропорционально соответствующему квадрату ККМ матричного элемента и числа кварковых цветов , N C = 3. Тогда ширины распада бозонаW + пропорциональны:
Лептоны Кварки
е+
ν
е1
ты
d
3
ты
s
3
ты
б
3
μ+
ν
μ1
c
d
3
c
s
3
c
б
3
τ+
ν
τ1 Распадаться на
т
не допускается из соображений энергосбережения
Здесь,
е+
,
μ+
,
τ+
обозначают три аромата лептонов (точнее, положительно заряженные антилептоны ).
ν
е ,
ν
μ ,
ν
τ обозначают три аромата нейтрино. Остальные частицы, начиная с
ты
а также
d
, все обозначают кварки и антикварки ( применяется множитель N C ). Различные обозначают соответствующие коэффициенты матрицы CKM .
Унитарность матрицы CKM означает, что, таким образом ,
сумма каждой из двух кварковых строк равна 3. Следовательно, коэффициенты ветвления лептонов W-бозона приблизительно равны
1/9 В коэффициенте ветвления адронов преобладает предпочтительный для CKM
ты
d
а также
c
s
конечные состояния. Сумма коэффициентов ветвления адронов , как было измерено экспериментально, составляет67,60 ± 0,27% , с 10,80 ± 0,09% .
Z 0 бозон
Z
бозоны распадаются на фермион и его античастицу. Как
Z0
бозон представляет собой смесь нарушающих предсимметрию
W0
а также
B0
бозонов (см. слабый угол смешивания ), каждый вершинный фактор включает множитель, где - третья компонента слабого изоспина фермиона («заряд» для слабого взаимодействия), - электрический заряд фермиона (в единицах элементарного заряда ), - угол слабого смешения . Поскольку слабый изоспин различен для фермионов с разной хиральностью , как левых, так и правых , взаимодействие также различно.
В относительных достоинства каждой связи можно оценить, если учесть , что скорость распада включает площадь этих факторов, а также все возможные схемы (например , просуммировать кварков семью, и левые и правые вклады). Приведенные ниже результаты являются лишь оценками, поскольку они включают только трехуровневые диаграммы взаимодействия в теории Ферми .
Частицы Слабый изоспин Относительный фактор Коэффициент разветвления Имя Символы L р Прогнозируется для x = 0,23 Экспериментальные измерения Нейтрино (все)
ν
е,
ν
μ,
ν
τ1/2 0 20,5% 20,00 ± 0,06% Заряженные лептоны (все)
е-
,
μ-
,
τ-
10,2% 10,097 ± 0,003% Электрон
е-
Икс 3,4% 3,363 ± 0,004% Мюон
μ-
-1/2+ х Икс (-1/2+ х ) 2 + х 2 3,4% 3,366 ± 0,007% Тау
τ-
-1/2+ х Икс (-1/2+ х ) 2 + х 2 3,4% 3,367 ± 0,008% Адроны
(кроме *
т
)69,2% 69,91 ± 0,06% Кварки нижнего типа
d
,
s
,
б
-1/2 + 1/3Икс 1/3Икс 3 (-1/2 + 1/3х ) 2 + 3 (1/3х ) 2 15,2% 15,6 ± 0,4% Кварки типа Up
ты
,
c
1/2 - 2/3Икс -2/3Икс 3 (1/2 - 2/3х ) 2 + 3 (-2/3х ) 2 11,8% 11,6 ± 0,6%
- Чтобы сохранить компактность обозначений, в таблице используются
- Здесь L и R обозначают левую или правую киральность фермионов соответственно.
- * Невозможный распад на пару топ-кварк- антикварк не рассматривается. Масса
т
кварк плюс
т
больше массы
Z
бозон, поэтому у него недостаточно энергии, чтобы распасться на
т
т
кварковая пара.
- В 2018 году коллаборация CMS наблюдала первый эксклюзивный распад Z-бозона на ψ-мезон и пару лептон- антиптон.
Смотрите также
- Статистика Бозе – Эйнштейна - Описание поведения бозонов.
- Список частиц
- Математическая формулировка Стандартной модели - Математика модели физики элементарных частиц
- Слабый заряд
- W ′ и Z ′ бозоны - гипотетические калибровочные бозоны, возникающие в результате расширений электрослабой симметрии Стандартной модели.
- X- и Y-бозоны : аналогичная пара бозонов, предсказанная Теорией Великого Объединения
- ZZ дибозон
Сноски
использованная литература
внешние ссылки
- СМИ, связанные с W- и Z-бозонами, на Викискладе?
- Обзор физики элементарных частиц , основной источник информации о свойствах частиц.
- Частицы W и Z: личное воспоминание Пьера Дарриула
- Когда ЦЕРН увидел конец алфавита Даниэля Денегри
- W и Z частицы в Hyperphysics