Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с Z-бозона )
Перейти к навигации Перейти к поиску

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 . Спин трех частиц равен 1.
W±
 бозоны обладают магнитным моментом, но
Z0
нет ни одного. Все эти три частицы 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 ", [3] и позже объяснил, что это последняя дополнительная частица, необходимая для модели.
W
 бозоны уже были названы, и
Z
 бозоны были названы за то, что у них нулевой электрический заряд. [4]

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 вещества (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 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 электрону часть импульса нейтрино. [а]

Основные свойства [ править ]

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 носителем 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 же
W-
бозон 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
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 какой-либо 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 .)

Слабая ядерная сила [ править ]

Диаграмма Фейнмана для бета - распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино через промежуточную
W-
 бозон

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 [ править ]

В
W±
 бозоны наиболее известны своей ролью в ядерном распаде . Рассмотрим, к примеру, бета - распад с кобальтом-60 .

60 27Co60 28Ni+ +е- + νе

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:

п0 → п+ + е- + νе

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:

d → ты +
W-

за которым сразу следует распад
W-
сам:


W-
→ е- + νе

Z-бозоны [ править ]

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 . [b]
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). [c] 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 . [7]

Прогнозирование W и Z [ править ]

Диаграмма Фейнмана , показывающая обмен парой
W
 бозоны. Это один из основных факторов, способствующих нейтральному колебанию Каона .

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 . [8] [c] 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 массу
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
, а также
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 [ править ]

Гаргамель пузырьковая камера , в настоящее время выставлены в ЦЕРН

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 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
Z
 бозон. В противном случае нейтрино невозможно обнаружить, поэтому единственный наблюдаемый эффект - это импульс, передаваемый 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 ) [9] 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 . [10]

В
W+
,
W-
, а также
Z0
бозоны вместе с фотоном (
γ
), Включают в себя четыре калибровочных бозонов на электрослабого взаимодействия .

Распад [ править ]

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 [ править ]


W
бозоны
могут распадаться на лептон и антилептон (один из них заряжен, а другой нейтральный) [d] или на кварк и антикварк противоположных типов . Ширина распада от W бозона на пары кварк-антикварк пропорционально соответствующему квадрату ККМ матричного элемента и числа кварковых цветов , N C  = 3. ширин распадов для W +  бозона затем пропорционально:

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 V ij обозначают соответствующие коэффициенты матрицы CKM .

(Каждая запись в лептонном столбце также может быть записана как три распада, например, для первой строки, как e + ν 1 , e + ν 2 , e + ν 3 для каждого собственного состояния массы нейтрино, с шириной распада, пропорциональной | U e1 | 2 и т. Д. ( Матричные элементы PMNS ), но эксперименты по измерению этих распадов не могут различать собственные состояния масс нейтрино, они измеряют общую ширину распада суммы всех трех процессов).

Унитарность матрицы CKM означает, что | В уд | 2  + | В нас | 2  + | V ub | 2  = | V cd | 2  + | V cs | 2  + | V cb | 2  = 1, таким образом, сумма каждой из двух кварковых рядов равна 3. Следовательно, лептонные коэффициенты ветвления W-бозона приблизительно равны B (
е+

ν
е
) =  B (
μ+

ν
μ
) =  B (
τ+

ν
τ
знак равно 1/9. В коэффициенте ветвления адронов преобладает CKM-предпочтение.
ты

d
а также
c

s
конечные состояния. Экспериментально измеренная сумма коэффициентов ветвления адронов равна67,60 ± 0,27% , где B (l + ν l ) = 10,80 ± 0,09% . [11]

Z- бозон [ править ]


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 левосторонних, так и правосторонних , 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 .

Чтобы сохранить компактность обозначений, в таблице используются
Здесь L и R обозначают левую или правую киральность фермионов соответственно. [e]
* 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. [13]

См. Также [ править ]

  •  Статистика Бозе – Эйнштейна - Статистическое 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 [ править ]

  1. ^ Поскольку нейтрино не подвержены ни сильному взаимодействию,ни электромагнитному взаимодействию, и поскольку гравитационная сила между субатомными частицами незначительна, такое взаимодействие может происходить только через слабое взаимодействие. Поскольку такой электрон не создается из нуклона и остается неизменным, за исключением нового силового импульса, передаваемого нейтрино, это слабое силовое взаимодействие между нейтрино и электроном должно быть опосредовано электромагнитно нейтральной бозонной частицей со слабой силой. Таким образом, это взаимодействие требует
    Z0
     бозон.
  2. ^ Тем не менее, см. Изменяющий аромат нейтральный ток для предположения, что редкий
    Z
    обмен может вызвать изменение вкуса.
  3. ^ a b Первое предсказание
    Z
     бозоны были созданы бразильским физиком Хосе Лейте Лопесом в 1958 году [5] , разработав уравнение, которое показало аналогию слабого ядерного взаимодействия с электромагнетизмом. Стив Вайнберг, Шелдон Глэшоу и Абдус Салам позже использовали эти результаты для разработки электрослабого объединения [6] в 1973 году.
  4. ^ В частности:

    W-
    → заряженный лептон + антинейтрино

    W+
    → заряженный антилептон + нейтрино
  5. ^ a b В Стандартной модели правые нейтрино (и левые антинейтрино) не существуют; однако некоторые расширения, выходящие за рамки Стандартной модели, позволяют их. Если они действительно существуют, все они имеют изоспин T 3  = 0 и электрический заряд Q  = 0, что делает их «стерильными» , то есть неспособными взаимодействовать ни за счет слабых, ни за счет электрических сил, а поскольку их цветной заряд равен нулю, нет сильного взаимодействия. взаимодействия тоже.

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б М. Танабаши и др. (Группа данных по частицам) (2018). «Обзор физики элементарных частиц» . Physical Review D . 98 (3): 030001. Bibcode : 2018PhRvD..98c0001T . DOI : 10.1103 / PhysRevD.98.030001 .
  2. ^ а б М. Танабаши и др. (Группа данных по частицам) (2018). «Обзор физики элементарных частиц» . Physical Review D . 98 (3): 030001. Bibcode : 2018PhRvD..98c0001T . DOI : 10.1103 / PhysRevD.98.030001 .
  3. ^ Вайнберг, С. (1967). «Модель лептонов» (PDF) . Phys. Rev. Lett . 19 : 1264–1266. Bibcode : 1967PhRvL..19.1264W . DOI : 10.1103 / physrevlett.19.1264 . [ постоянная мертвая ссылка ] Электрослабая объединительная бумага.
  4. ^ Вайнберг, Стивен (1993). Мечты об окончательной теории: поиск фундаментальных законов природы . Винтажная пресса. п. 94 . ISBN 978-0-09-922391-7.
  5. Перейти ↑ Lopes, J. Leite (сентябрь 1999 г.). «Сорок лет первой попытки электрослабого объединения и предсказания слабого нейтрального бозона» . Бразильский журнал физики . 29 (3): 574–578. Bibcode : 1999BrJPh..29..574L . DOI : 10.1590 / S0103-97331999000300024 . ISSN 0103-9733 . 
  6. ^ «Нобелевская премия по физике» . Нобелевский фонд . 1979. Архивировано 3 августа 2004 года . Проверено 10 сентября 2008 года .
  7. ^ «Открытие слабых нейтральных токов» . ЦЕРН Курьер. Архивировано 07 марта 2017 года . Проверено 6 марта 2017 .
  8. ^ «Нобелевская премия по физике» . Нобелевский фонд. 1979. Архивировано 3 августа 2004 года . Проверено 20 февраля 2004 .(см. также Нобелевскую премию по физике в Википедии)
  9. ^ "Коллекция сотрудничества UA2" . Архивировано 4 июня 2013 года . Проверено 22 июня 2009 .
  10. ^ «Нобелевская премия по физике» . Нобелевский фонд. 1984. Архивировано 3 августа 2004 года . Проверено 20 февраля 2004 .
  11. ^ Дж. Берингер; и другие. (2012). «Обзор физики элементарных частиц за 2012 г. - калибровочные бозоны и бозоны Хиггса» (PDF) . Physical Review D . 86 : 1. Bibcode : 2012PhRvD..86a0001B . DOI : 10.1103 / PhysRevD.86.010001 . Архивировано (PDF) из оригинала 20.02.2017 . Проверено 21 октября 2013 .
  12. ^ Амслер, C .; и другие. (Группа данных по частицам) (2010). «Частичное обновление PL B667, 1 (2008 г.) и 2009 г. для издания 2010 г.» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 05.06.2011 . Проверено 19 мая 2010 .
  13. ^ Сирунян, AM; и другие. (Сотрудничество с CMS) (2018). «Наблюдение распада Z → ψ ℓ + ℓ− в pp- столкновениях при s = 13 ТэВ» . Письма с физическим обзором . 121 (14): 141801. arXiv : 1806.04213 . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.121.141801 .

Внешние ссылки [ править ]

  • 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
  • Частицы W и Z в Hyperphysics