Сочинение | Элементарная частица |
---|---|
Статистика | Бозонный |
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 [1] Z:91,1876 ± 0,0021 ГэВ / c 2 [2] |
Ширина распада | W: 2,085 ± 0,042 ГэВ / c 2 [1] Z:2,4952 ± 0,0023 ГэВ / c 2 [2] |
Электрический заряд | W: ± 1 e Z: 0 e |
Вращение | 1 |
Слабый изоспин | Ш: ± 1 З: 0 |
Слабый гиперзаряд | 0 |
Бозоны W и Z вместе известны как слабые или, в более общем смысле, как промежуточные векторные бозоны . Эти элементарные частицы посредничать в слабом взаимодействии ; соответствующие символы
W+
,
W-
, и
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 были названы в честь ш ЕАК 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 имеющей Z эро электрического заряда. [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
и
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 снижает 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 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 .)
Слабая ядерная сила [ править ]
В
W
и
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 27Co → 60 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 ]
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 , 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
и
Z
бозоны имеют массу, 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
и
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±
и
Z0
бозоны имеют следующие массы:
где - калибровочная связь SU (2), - калибровочная связь U (1) и - значение ожидания вакуума Хиггса .
Открытие [ править ]
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
и
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
и
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-
, и
Z0
бозоны вместе с фотоном (
γ
), Включают в себя четыре калибровочных бозонов на электрослабого взаимодействия .
Распад [ править ]
В
W
и
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:
Лептоны | Вверх кварки | Очаровательные кварки | |||
---|---|---|---|---|---|
е+ ν е | 1 | ты d | 3 | В уд | 2 | c d | 3 | V cd | 2 |
μ+ ν μ | 1 | ты s | 3 | В нас | 2 | c s | 3 | V cs | 2 |
τ+ ν τ | 1 | ты б | 3 | V ub | 2 | c б | 3 | V cb | 2 |
Здесь,
е+
,
μ+
,
τ+
обозначают три аромата лептонов (точнее, положительно заряженные антилептоны ).
ν
е,
ν
μ,
ν
τобозначают три аромата нейтрино. Остальные частицы, начиная с
ты
и
d
, все обозначают кварки и антикварки ( применяется множитель N C ). Различные V i j обозначают соответствующие коэффициенты матрицы CKM .
Унитарность матрицы CKM означает, что | В уд | 2 + | В нас | 2 + | V ub | 2 = | V cd | 2 + | V cs | 2 + | V cb | 2 = 1. Следовательно, лептонные коэффициенты ветвления W-бозона примерно равны B (
е+
ν
е) = B (
μ+
ν
μ) = B (
τ+
ν
τзнак равно 1/9. В коэффициенте ветвления адронов преобладает CKM-предпочтение.
ты
d
и
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-бозоны [ править ]
Z
бозоны распадаются на фермион и его античастицу. Как
Z0
бозон представляет собой смесь нарушающих предсимметрию
W0
и
B0
бозонов (см. слабый угол смешивания ), каждый вершинный фактор включает множитель T 3 - Q sin 2 θ W , где T 3 - третья компонента слабого изоспина фермиона («заряд» для слабого взаимодействия), Q - электрический заряд фермиона (в единицах элементарного заряда ), и & thetas ; W представляет собой угол слабого смешивания . Поскольку слабый изоспин различен для фермионов разной киральности , как левых, так и правых, муфта тоже другая.
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 | Эффективный заряд ( Т 3 ) | Относительный фактор | Коэффициент разветвления | |||
---|---|---|---|---|---|---|
Имя | Символы | L | р | Прогнозируется для x = 0,23 | Экспериментальные измерения [12] | |
Нейтрино (все) | ν е, ν μ, ν τ | 1/2 | 0 [e] | 3 (1/2) 2 | 20,5% | 20,00 ± 0,06% |
Заряженные лептоны (все) | е- , μ- , τ- | 3 (-1/2+ х ) 2 + 3 х 2 | 10,2% | 10,097 ± 0,003% | ||
Электрон | е- | -1/2+ х | Икс | (-1/2+ х ) 2 + х 2 | 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 обозначение компактно, использование таблиц х = грех 2 θ W .
- 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
кварк и анти-
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
- 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 ]
- ^ 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. - ^ Тем не менее, см. Изменяющий аромат нейтральный ток для предположения, что редкий
Z
обмен может вызвать изменение вкуса. - ^ 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. - ^ В частности:
W-
→ заряженный лептон + антинейтрино
W+
→ заряженный антилептон + нейтрино - ^ a b Правые нейтрино (и левые антинейтрино) не существуют в стандартной модели. Однако некоторые расширения, выходящие за рамки стандартной модели, позволяют их. Если они действительно существуют, то все они имеют T 3 = 0, что делает их «стерильными» .
Ссылки [ править ]
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Вайнберг, С. (1967). «Модель лептонов» (PDF) . Phys. Rev. Lett . 19 : 1264–1266. Bibcode : 1967PhRvL..19.1264W . DOI : 10.1103 / physrevlett.19.1264 . Электрослабая унификационная бумага.
- ^ Вайнберг, Стивен (1993). Мечты об окончательной теории: поиск фундаментальных законов природы . Винтажная пресса. п. 94 . ISBN 978-0-09-922391-7.
- 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 .
- ^ «Нобелевская премия по физике» . Нобелевский фонд . 1979 . Проверено 10 сентября 2008 года .
- ^ «Открытие слабых нейтральных токов» . ЦЕРН Курьер.
- ^ «Нобелевская премия по физике» . Нобелевский фонд. 1979 г.(см. также Нобелевскую премию по физике в Википедии)
- ^ "Коллекция сотрудничества UA2" .
- ^ «Нобелевская премия по физике» . Нобелевский фонд. 1984 г.
- ^ 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 .
- ^ Амслер, C .; и другие. (Группа данных по частицам) (2010). «Частичное обновление PL B667, 1 (2008 г.) и 2009 г. для издания 2010 г.» (PDF) .
- ^ Сирунян, AM; и другие. (Сотрудничество с CMS) (2018). «Наблюдение распада Z → ψ ℓ + ℓ− в pp- столкновениях при √ s = 13 ТэВ» . Phys. Rev. Lett . 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