W- и Z-бозоны

W±- и Z-бозоны
Символ:	W±, Z0
Состав:	Элементарная частица
Семья:	Бозон
Группа:	Калибровочный бозон
Участвует во взаимодействиях:	слабое, гравитационное, для W-бозонов также электромагнитное
Теоретически обоснована:	Глэшоу, Вайнберг, Салам (1968)
Обнаружена:	совместные эксперименты UA1 и UA2, 1983
Масса:	W: 80,399±0,023 ГэВ/c2[1] Z: 91,1876±0,0021 ГэВ/c2[2]
Время жизни:	~3·10−25 с (ширины распада: W-бозон 2,141 ГэВ, Z-бозон 2,4952 ГэВ)
Электрический заряд:	W: ±1 e Z: 0 e
Цветовой заряд:	0
Спин:	1
Кол-во спиновых состояний:	3

W- и Z-бозо́ны — элементарные частицы, переносчики слабого взаимодействия. Их открытие (ЦЕРН, 1983) считается одним из главнейших успехов Стандартной модели физики элементарных частиц.

W-частица названа по первой букве названия взаимодействия — слабое (Weak) взаимодействие. Z-частица получила такое имя, поскольку Z-бозон имеет нулевой (Zero) электрический заряд.

Основные свойства

Существует два типа W-бозонов — с электрическим зарядом +1 и −1 (в единицах элементарного заряда); W⁺ является античастицей для W⁻. Z-бозон (или Z⁰) электрически нейтрален и является античастицей сам для себя. Все три частицы очень короткоживущие, со средним временем жизни около 3·10⁻²⁵ секунд.

Эти бозоны — тяжеловесы среди элементарных частиц. С массой в 80,4 и 91,2 ГэВ/c², соответственно, W^±- и Z⁰-частицы почти в 100 раз тяжелее протона и близки к массе атомов рубидия и технеция, соответственно. Масса этих бозонов очень важна для понимания слабого взаимодействия, поскольку ограничивает радиус действия слабого взаимодействия. Электромагнитные силы, напротив, имеют бесконечный радиус действия, потому что их бозон-переносчик (фотон) не имеет массы.

Все три типа бозонов имеют спин 1.

Испускание W⁺ или W⁻ бозона может либо повысить, либо понизить электрический заряд испускающей частицы на 1 единицу и изменить спин на 1 единицу. В то же время W-бозон может менять поколение частицы, например, превращать s-кварк в u-кварк. Z⁰ бозон не может менять ни электрический заряд, ни любой другой заряд (странность, очарование и т. д.) — только спин и импульс, так что он никогда не меняет поколение или аромат частицы, испускающей его (см. слабый нейтральный ток).

Слабое взаимодействие

Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино посредством тяжелого W-бозона

W- и Z-бозоны — это частицы-переносчики слабого взаимодействия, как фотон является частицей-переносчиком для электромагнитного взаимодействия. W-бозон играет важную роль в ядерном бета-распаде. Рассмотрим для примера бета-распад изотопа кобальта Co⁶⁰, важный процесс, происходящий при взрыве сверхновых:

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

В этой реакции участвует не всё ядро Co⁶⁰, а только один из его 33 нейтронов. Нейтрон превращается в протон, испуская электрон (называемый здесь бета-частицей) и электронное антинейтрино:

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

Опять же сам нейтрон является не элементарной, а составной частицей, состоящей из u-кварка и двух d-кварков (udd). Так что на самом деле в бета-распаде участвует один из d-кварков, который превращается в u-кварк, чтобы сформировать протон (uud). Итак, на самом фундаментальном уровне слабое взаимодействие просто меняет аромат одного кварка:

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

за которым немедленно следует распад самого W⁻:

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

Все квантовые числа Z-бозона равны нулю, поскольку он является античастицей сам для себя (истинно нейтральной частицей). Следовательно, обмен Z-бозоном между частицами, названный взаимодействием нейтральных токов, не меняет взаимодействующие частицы. В отличие от бета-распада наблюдения взаимодействий нейтральных токов требуют таких огромных денежных вложений в ускорители частиц и детекторы, что возможны только в нескольких лабораториях физики высоких энергий в мире.

Предсказание W- и Z-бозонов

Диаграмма Фейнмана, показывающая обмен парой W-бозонов. Это основная стадия процесса осцилляции нейтральных каонов.

Вслед за впечатляющими успехами квантовой электродинамики в 1950-х предпринимались попытки построить похожую теорию для слабого взаимодействия. Это удалось сделать в 1968 г. с построением общей теории электромагнетизма и слабых взаимодействий Шелдоном Глэшоу, Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, за которую они совместно получили Нобелевскую премию по физике 1979 года^[3]. Их теория электрослабого взаимодействия предсказала не только W-бозон, необходимый для объяснения бета-распада, но также новый Z-бозон, который до этого никогда не наблюдался.

Тот факт, что W- и Z-бозоны имеют массу, в то время как фотон массы не имеет, был главным препятствием для развития теории электрослабого взаимодействия. Эти частицы точно описываются калибровочной симметрией SU(2), но бозоны в калибровочной теории должны быть безмассовыми. Так, фотон является безмассовым бозоном, поскольку электромагнетизм описывается калибровочной симметрией U(1). Необходим некоторый механизм, который бы нарушал симметрию SU(2), в процессе придавая массу W- и Z-бозонам. Одно объяснение, механизм Хиггса, было предложено Питером Хиггсом в конце 1960-х. Оно предсказывает существование ещё одной новой частицы — бозона Хиггса.

Сочетание калибровочной теории SU(2) слабого взаимодействия, электромагнитного взаимодействия и механизма Хиггса известно как модель Глэшоу — Вайнберга — Салама. Сейчас это один из столпов Стандартной модели физики элементарных частиц.

Экспериментальное открытие W- и Z-бозонов

Пузырьковая камера «Гаргамель», выставленная в ЦЕРН

Открытие W- и Z-бозонов — одна из самых успешных страниц истории ЦЕРНа. Сначала, в 1973 г., производились наблюдения взаимодействий нейтральных токов, предсказанных теорией электрослабого взаимодействия. В огромной пузырьковой камере «Гаргамель», облучаемой пучком нейтрино от ускорителя, были сфотографированы треки нескольких электронов, которые внезапно начинали двигаться, казалось бы, сами по себе. Это явление было интерпретировано как взаимодействие нейтрино и электрона при помощи обмена невидимым Z-бозоном. Нейтрино также очень трудно детектировать, так что единственным наблюдаемым эффектом является импульс, полученный электроном после взаимодействия.

Открытия самих W- и Z-бозонов пришлось ждать, пока не стало возможным построить ускорители, достаточно мощные, чтобы создать их. Первой такой машиной стал Супер-протонный синхротрон (СПС), на котором были получены недвусмысленные доказательства существования W-бозонов в сериях экспериментов, выполненных Карло Руббиа и Симоном ван дер Меером. На самом деле эти экспериментальные установки (и коллаборации, создавшие их) назывались UA1 (под руководством Руббиа) и UA2. Как и большинство крупных экспериментов в физике высоких энергий, они являлись совместным трудом многих людей. Ван дер Меер был руководителем группы, управляющей ускорителем (изобретатель концепции стохастического охлаждения, сделавшей возможным открытие W- и Z-бозонов). Частицы рождались в столкновении встречных пучков протонов и антипротонов. Через несколько месяцев после обнаружения W-бозона (январь 1983) коллаборации UA1 и UA2 открыли Z-бозон (май 1983 года). Руббиа и Ван дер Меер были награждены Нобелевской премией по физике 1984 года^[4] всего через полтора года после открытия, что было необычным шагом со стороны обычно консервативного Нобелевского фонда.

Каналы распада бозонов

W-бозон[1][5] Канал распада Вероятность $W^+ \rightarrow e^+ + \nu$ 10,75 % $W^+ \rightarrow \mu^+ + \nu$ 10,57 % $W^+ \rightarrow \tau^+ + \nu$ 11,25 % адроны 67,60 % Z-бозон с вероятностью 69,91 % распадается на адроны; вероятность того, что он распадётся на лептон и антилептон, составляет 10,10 %[2]. См. также Стандартная модель Калибровочный бозон Механизм Хиггса Список бозонов Примечания ↑ 1 2 K. Nakamura et al. (Particle Data Group), J. Phys. G 37, 075021 (2010). Калибровочные бозоны, W-бозон. Доступно на pdglive.lbl.gov (англ.) ↑ 1 2 K. Nakamura et al. (Particle Data Group), J. Phys. G 37, 075021 (2010). Калибровочные бозоны, Z-бозон. Доступно на pdglive.lbl.gov (англ.) ↑ The Nobel Prize in Physics 1979  (англ.) ↑ The Nobel Prize in Physics 1984  (англ.) ↑ Распады соответствующих античастиц получаются зарядовым сопряжением приведённых распадов. Ссылки Сводная таблица свойств W-бозона на сайте Particle Data Group.  (англ.) Сводная таблица свойств Z-бозона на сайте Particle Data Group.  (англ.) W и Z страница ЦЕРНа (англ) W и Z частицы на Hyperphysics (англ) Z частица на Everything2 (англ) Частицы в физике   Элементарные частицы Фермионы Кварки u · d · c · s · t · b Лептоны e− · e+ · μ− · μ+ · τ− · τ+ · νe · νe · νμ · νμ · ντ  · ντ Бозоны Калибровочные бозоны γ · g · W-бозон · Z-бозон бозоны Хиггса H0 Другие Ду́хи Гипотетические Суперпартнёры Гейджино Чарджино · Глюино · Гравитино · Нейтралино Другие Аксино · Хиггсино · Сфермион Другие A0 · Дилатон · G · J · Тахион · X · X (4140) Y · W’ · Z’ · Стерильное нейтрино Составные частицы Адроны Барионы / Гипероны Нуклоны (p · p · n · n)  · Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω Мезоны / Кварконии π · ρ · η · η′  · φ · ω  · J/ψ · ϒ · θ · K · B · D · T Другие Атомные ядра · Атомы · Экзотические атомы (Позитроний · Мюоний · Кварконий) · Молекулы Гипотетические Экзотические адроны Экзотические барионы Дибарион · Пентакварк Экзотические мезоны Глюбол · Тетракварк Другие Мезонная молекула · Померон Квазичастицы Солитон Давыдова · Экситон · Биэкситон · Магнон · Фонон · Плазмон · Поляритон · Полярон · Примесон · Ротон · Биротон · Дырка · Электрон · Куперовская пара · Орбитон · Трион · Фазон · Флуктуон · Энион · Холон и спинон Списки Список частиц · Список квазичастиц · Список барионов · Список мезонов · История открытия частиц