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 : 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 .
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 ).
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 :
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 :
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:
bezprostředně následovaný rozpadem W − samotného :
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 .
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.
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.
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 bosonůV roce 2014 ohlásila spolupráce ATLAS registraci produkce párů W-bosonů stejného elektrického náboje [8] . Hmotnost bosonuV 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 takéPoznámky
Odkazy
|