W a Z bosony

W ± - a Z - bosony ( W ± , Z 0 )
Sloučenina	základní částice
Rodina	boson
Skupina	kalibrační boson
Účastní se interakcí	gravitační [1] , slabý , pro W-bosony i elektromagnetický
Antičástice	W + pro W - Z 0 sobě
Počet typů	3
Hmotnost	W : 80,385±0,015 GeV / s2 (2012) [2] 80,433 ±0,009 GeV / s2 (2022) [ 3 ] Z : 91,1876±0,0021 GeV / s2 [ 4 ]
Život	~3⋅10 −25 s (šířky rozpadu: W -boson 2,141 GeV, Z -boson 2,4952 GeV)
Teoreticky oprávněné	Glashow , Weinberg , Salam ( 1968 )
Objevil	společné experimenty UA1 a UA2 , 1983
kvantová čísla
Elektrický náboj	W : ± 1 e Z : 0 e
barevný náboj	0
baryonové číslo	0
Roztočit	1 h
Počet stavů otáčení	3
Mediální soubory na Wikimedia Commons

W - a Z - bosony jsou základní částice , nositelé slabé interakce . Jejich objev ( CERN , 1983 ) je považován za jeden z hlavních úspěchů Standardního modelu částicové fyziky .

W -částice je pojmenována podle prvního písmene názvu interakce - slabá ( Slabá ) interakce. Z -částice dostala své jméno, protože Z -boson má nulový ( nulový ) elektrický náboj .

Základní vlastnosti

Existují dva typy W -bosonů - s elektrickým nábojem +1 a -1 (v jednotkách elementárního náboje); W + je antičástice pro W − . Boson Z (neboli Z 0 ) je elektricky neutrální a je svou vlastní antičásticí. Všechny tři částice mají velmi krátkou životnost, s průměrnou dobou života asi 3⋅10 −25 sekund.

Tyto bosony jsou těžké váhy mezi elementárními částicemi. S hmotností 80,4 a 91,2 GeV/c 2 jsou částice W ± - a Z 0 téměř 100krát těžší než proton a jsou blízké hmotnostem atomů rubidia a technecia . Hmotnost těchto bosonů je velmi důležitá pro pochopení slabé síly, protože omezuje dosah slabé síly. Elektromagnetické síly mají naopak nekonečný dosah, protože jejich nosný boson ( foton ) nemá žádnou hmotnost.

Všechny tři typy bosonů mají spin 1.

Emise W + - nebo W - -bosonu může buď zvýšit nebo snížit elektrický náboj emitující částice o 1 jednotku a změnit spin o 1 jednotku. Boson W zároveň může změnit generaci částice, například transformovat kvark s na kvark u . Boson Z 0 nemůže změnit ani elektrický náboj, ani žádný jiný náboj ( podivnost , kouzlo atd.) – pouze rotaci a hybnost, takže nikdy nemění generování ani chuť částice, která jej vyzařuje (viz neutrální proud ).

Slabá interakce

Bosony W a Z jsou nosnými částicemi slabé síly, stejně jako foton je nosnou částicí elektromagnetické síly. W boson hraje důležitou roli v jaderném beta rozpadu . Vezměme si například beta rozpad izotopu kobaltu Co 60 , což je důležitý proces, ke kterému dochází během exploze supernovy :

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

Ne celé jádro Co 60 se účastní této reakce , ale pouze jeden z jeho 33 neutronů . Neutron se změní na proton vysláním elektronu (zde nazývaného beta částice ) a elektronového antineutrina :

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

Opět platí, že neutron sám o sobě není fundamentální, ale složená částice, skládající se z u -kvarku a dvou d -kvarků ( udd ). Takže to, co je ve skutečnosti zapojeno do beta rozpadu, je jeden z kvarků d , který se změní na kvark u a vytvoří proton ( uud ). Takže na nejzákladnější úrovni slabá síla jednoduše změní chuť jednoho kvarku:

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

bezprostředně následovaný rozpadem W − samotného :

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

Všechna kvantová čísla Z - bosonu jsou rovna nule, protože je to antičástice sama pro sebe (tzv. pravá neutrální částice ). Proto výměna Z -bosonu mezi částicemi, nazývaná interakce neutrálních proudů , nemění interagující částice. Na rozdíl od beta rozpadu vyžaduje pozorování interakcí neutrálních proudů tak obrovské finanční investice do urychlovačů částic a detektorů , že je na světě možné jen několik laboratoří fyziky vysokých energií .

Predikce W a Z bosonů

Po působivých pokrokech v kvantové elektrodynamice v 50. letech 20. století byly učiněny pokusy zkonstruovat podobnou teorii pro slabou sílu. Toho bylo dosaženo v roce 1968 konstrukcí obecné teorie elektromagnetismu a slabých interakcí Sheldonem Glashowem , Stevenem Weinbergem a Abdusem Salamem , za kterou společně obdrželi v roce 1979 Nobelovu cenu za fyziku [5] . Jejich teorie elektroslabé síly nejen předpovídala W boson potřebný k vysvětlení beta rozpadu, ale také nový Z boson, který nebyl nikdy předtím pozorován.

Skutečnost, že bosony W a Z mají hmotnost, zatímco foton žádnou hmotnost, byla hlavní překážkou rozvoje elektroslabé teorie. Tyto částice jsou přesně popsány pomocí kalibrační symetrie SU (2) , ale bosony v kalibrační teorii musí být bez hmotnosti. Foton je tedy bezhmotný boson, protože elektromagnetismus je popsán symetrií měřidla U(1). K porušení symetrie SU (2) je zapotřebí nějaký mechanismus, který v procesu uděluje hmotu bosonům W a Z. Jedno vysvětlení, Higgsův mechanismus , navrhl koncem 60. let Peter Higgs . Předpovídá existenci další nové částice, Higgsova bosonu .

Kombinace SU (2) kalibrační teorie slabé síly, elektromagnetické síly a Higgsova mechanismu je známá jako Glashow-Weinberg-Salamův model . Nyní je jedním z pilířů Standardního modelu částicové fyziky.

Experimentální objev bosonů W a Z

Objev bosonů W a Z je jednou z nejúspěšnějších stránek v historii CERNu. Nejprve byla v roce 1973 provedena pozorování interakcí neutrálních proudů předpovězených teorií elektroslabé interakce. V obrovské bublinové komoře " Gargamel ", ozářené paprskem neutrin z urychlovače, byly vyfotografovány stopy několika elektronů, které se náhle začaly pohybovat, zdánlivě samy od sebe. Tento jev byl interpretován jako interakce neutrina a elektronu prostřednictvím výměny neviditelného Z -bosonu. Neutrina jsou také velmi obtížně detekovatelná, takže jediným pozorovatelným efektem je hybnost získaná elektronem po interakci.

Objev samotných bosonů W a Z musel počkat, až bude možné sestrojit urychlovače dostatečně výkonné na jejich vytvoření. Prvním takovým strojem byl Super Proton Synchrotron (SPS) s detektory UA1 a UA2 (stejný název dostaly i spolupráce , které je vytvořily), který poskytl jednoznačný důkaz o existenci W bosonů v sérii experimentů prováděných pod vedením Carlo Rubbia a Simon van der Meera . Jako většina velkých experimentů ve fyzice vysokých energií byly společným dílem mnoha lidí. Van der Meer byl vůdcem skupiny provozující urychlovač (vynálezce konceptu stochastického chlazení , který umožnil objev W a Z bosonů). Částice se zrodily při srážce svazků protonů a antiprotonů . Několik měsíců po objevu bosonu W (leden 1983), spolupráce UA1 a UA2 objevila boson Z (květen 1983). Rubbia a van der Meerovi byla v roce 1984 udělena Nobelova cena za fyziku [6] pouhý rok a půl po svém objevu, což je neobvyklý krok obvykle konzervativní Nobelovy nadace.

Kanály rozpadu bosonů

W -boson [2] [7]
Rozpadový kanál	Pravděpodobnost
${\displaystyle W^{+}\rightarrow e^{+}+\nu _{e))$	10,75 %
$W^{+}\rightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }$	10,57 %
${\displaystyle W^{+}\rightarrow \tau ^{+}+\nu _{\tau ))$	11,25 %
hadrony	67,60 %

Z -boson se s pravděpodobností 69,91 % rozpadá na dvojici kvark a antikvark za vzniku mezonu; pravděpodobnost, že se rozpadne na lepton a antilepton, je 10,10 % [4] .

Zrození bosonů

V roce 2014 ohlásila spolupráce ATLAS registraci produkce párů W-bosonů stejného elektrického náboje [8] .

Hmotnost bosonu

V roce 2022 spolupráce fyziků ve Fermilabu po deseti letech výzkumu získala údaje o hmotnosti bosonu W, které ukazují, že hmotnost bosonu W se výrazně liší od předpovědí Standardního modelu . Podle jejich výpočtů je hmotnost W-bosonu 80 433,5 MeV plus/minus celkem 9,4 MeV [9] . Tato data jsou daleko za předpovědí standardního modelu, který omezuje W boson na 80 357 MeV +/- 6 MeV. To znamená, že nová hodnota se liší od předpovězené o sedm standardních odchylek. Pokud se tyto výsledky potvrdí, pak mohou ukazovat na částici neznámou vědě nebo nové fyzice, která přesahuje standardní model [10] .

Viz také

Poznámky

↑ Úžasný svět uvnitř atomového jádra. Otázky po přednášce Archivováno 15. července 2015. , FIAN, 11. září 2007
↑ 1 2 J. Beringer a kol . (Skupina údajů o částicích), Phys. Rev. D86, 010001 (2012). Kalibrační bosony, W - boson. Dostupné na pdglive.lbl.gov (odkaz není k dispozici )
↑ Archivovaná kopie . Získáno 13. dubna 2022. Archivováno z originálu dne 13. dubna 2022. (neurčitý)
↑ 1 2 J. Beringer a kol . (Skupina údajů o částicích), Phys. Rev. D86, 010001 (2012). Kalibrační bosony, Z - boson. Dostupné na pdglive.lbl.gov Archivováno z originálu 12. července 2012. (Angličtina)
↑ Nobelova cena za fyziku 1979 Archivováno z originálu 26. února 2009. (Angličtina)
↑ Nobelova cena za fyziku 1984 Archivováno 7. dubna 2011. (Angličtina)
↑ Rozpady odpovídajících antičástic se získají nábojovou konjugací redukovaných rozpadů.
↑ Párová produkce W-bosonů: nové výsledky a nová vysvětlení Archivováno z originálu 9. srpna 2014.
↑ CDF Collaboration†‡: T. Aaltonen, S. Amerio, D. Amidei, A. Anastassov, A. Annovi, J. Antos, G. Apollinari, JA Appel a kol. Vysoce přesné měření hmotnosti bosonu W pomocí detektoru CDF II . Věda (7. dubna 2022). Získáno 13. dubna 2022. Archivováno z originálu dne 12. dubna 2022.
↑ Nová data o hmotnosti W-bosonu zpochybňují standardní model

Odkazy

Souhrnná tabulka vlastností W - bosonu na webu Particle Data Group. (Angličtina)
Souhrnná tabulka vlastností Z - bosonu na webu Particle Data Group. (Angličtina)
W a Z stránka CERNu (eng)
W a Z částice na hyperfyzice
Z částice na Everything2 (eng)
Nominální částice Alexey Levin "Populární mechanika" č. 3, 2012

Částice ve fyzice

základní
částice

Fermiony

Kvarky	u d s C b t
Leptony	e -_ e + μ − • μ + τ − • τ + Neutrino ν e • ν e ν μ • ν μ ν τ • ν τ

bosony

Měřidlo	γ G W ± •Z 0
Skalární	Higgsův boson

Kompozitní
částice

hadrony

Baryony ( hyperony )	Nukleony p p n n Δ Λ Σ Ξ Ω Pentakvarky
mezony ( Quarkonia )	π η • η′ p ω φ J/ψ ϒ θ K B D T tetrakvarky

Sloučeniny základních a (nebo) složených částic

Obyčejný	Atomová jádra deuteron Triton Helion α atomy ionty Kationty anionty molekul
Neobvyklý	Ve fyzice hyperjader : Λ -hypernuclei Hypervodík Hypertriton Σ -hyperjádra Exotické atomy : Mezoatomy Muonic Muonový vodík Hadronová pivoňka Kaonic Antiproton Σ -hyperonic Atomy leptonu pozitronium Muonium Dimuonium protonium Pivoňka mesomolekuly Dipositronium