В физике элементарных частиц W- и Z-бозоны являются векторными бозонами , которые вместе известны как слабые бозоны или, в более общем смысле, как промежуточные векторные бозоны . Эти элементарные частицы опосредуют слабое взаимодействие ; соответствующие символы
Вт+
,
Вт−
, и
З0
.
Вт±
Бозоны имеют либо положительный, либо отрицательный электрический заряд в 1 элементарный заряд и являются античастицами друг друга .
З0
Бозон электрически нейтрален и является своей собственной античастицей. Каждая из трех частиц имеет спин 1.
Вт±
Бозоны имеют магнитный момент, но
З0
не имеет ни одного. Все три из этих частиц очень короткоживущие, с периодом полураспада около3 × 10−25 с . Их экспериментальное открытие имело решающее значение для установления того, что сейчас называется Стандартной моделью физики элементарных частиц .
The
Вт
Бозоны названы в честь слабого взаимодействия. Физик Стивен Вайнберг назвал дополнительную частицу "
З
частица», [4] и позже дал объяснение, что это была последняя дополнительная частица, необходимая для модели.
Вт
бозоны уже были названы, и
З
Бозоны были названы так из-за того, что имели нулевой электрический заряд. [5]
Двое
Вт
Бозоны являются проверенными посредниками поглощения и испускания нейтрино . Во время этих процессов
Вт±
Бозонный заряд вызывает испускание или поглощение электронов или позитронов, вызывая тем самым ядерную трансмутацию .
The
З
Бозон опосредует передачу импульса, спина и энергии, когда нейтрино упруго рассеиваются от материи (процесс, который сохраняет заряд). Такое поведение почти так же распространено, как и неупругие взаимодействия нейтрино, и может наблюдаться в пузырьковых камерах при облучении нейтринными пучками.
З
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 взаимодействия нейтрино с электроном (с передачей импульса через Z-бозон), поскольку такое поведение происходит чаще, когда присутствует нейтринный луч. В этом процессе нейтрино просто ударяет по электрону (через обмен бозоном), а затем рассеивается от него, передавая часть импульса нейтрино электрону. [a]
Эти бозоны относятся к тяжеловесам элементарных частиц. С массами80,4 ГэВ / c2 и91,2 ГэВ/ c 2 , соответственно,
Вт
и
З
Бозоны почти в 80 раз массивнее протона и даже тяжелее целых атомов железа .
Их большие массы ограничивают диапазон слабого взаимодействия. Напротив, фотон является носителем электромагнитной силы и имеет нулевую массу, что согласуется с бесконечным диапазоном электромагнетизма ; гипотетический гравитон , как ожидается, также будет иметь нулевую массу. (Хотя глюоны также предполагают, что имеют нулевую массу, диапазон сильного ядерного взаимодействия ограничен по другим причинам; см. Ограничение цвета .)
Все три бозона имеют спин частицы s = 1. Испускание
Вт+
или
Вт−
бозон либо понижает, либо повышает электрический заряд испускающей частицы на одну единицу, а также изменяет спин на одну единицу. В то же время испускание или поглощение
Вт±
Бозон может изменить тип частицы – например, изменить 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 » (таких как странность , барионное число , очарование и т. д.). Испускание или поглощение
З0
Бозон может изменить только спин, импульс и энергию другой частицы. (См. также Слабый нейтральный ток .)
The
Вт
и
З
Бозоны являются частицами-переносчиками слабого ядерного взаимодействия, подобно тому, как фотон является частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия.
The
Вт±
Бозоны наиболее известны своей ролью в ядерном распаде . Рассмотрим, например, бета-распад кобальта -60 .
Эта реакция не затрагивает все ядро кобальта-60 , а затрагивает только один из его 33 нейтронов. Нейтрон превращается в протон, одновременно испуская электрон (часто называемый бета-частицей в этом контексте) и электронное антинейтрино:
Опять же, нейтрон не является элементарной частицей, а представляет собой композицию верхнего кварка и двух нижних кварков (
ты
г
г
). Это один из нижних кварков, который взаимодействует при бета-распаде, превращаясь в верхний кварк и образуя протон (
ты
ты
г
). На самом фундаментальном уровне слабое взаимодействие изменяет вкус одного кварка:
за которым немедленно следует распад
Вт−
сам:
The
З0
бозон является своей собственной античастицей . Таким образом, все его ароматические квантовые числа и заряды равны нулю. Обмен
З
Бозон между частицами, называемый взаимодействием нейтрального тока , таким образом, оставляет взаимодействующие частицы нетронутыми, за исключением передачи спина и/или импульса . [b]
З
Взаимодействия бозонов с участием нейтрино имеют отличительные особенности: они представляют собой единственный известный механизм упругого рассеяния нейтрино в веществе; нейтрино почти так же склонны рассеиваться упруго (через
З
обмен бозонами) как неупруго (через обмен W-бозонами). [c] Слабые нейтральные токи через
З
Вскоре после этого (также в 1973 году) был подтвержден обмен бозонами в нейтринном эксперименте в пузырьковой камере Гаргамель в ЦЕРНе . [8]
После успеха квантовой электродинамики в 1950-х годах были предприняты попытки сформулировать аналогичную теорию слабого ядерного взаимодействия. Это достигло кульминации около 1968 года в единой теории электромагнетизма и слабых взаимодействий Шелдона Глэшоу , Стивена Вайнберга и Абдуса Салама , за которую они разделили Нобелевскую премию по физике 1979 года . [7] [c] Их электрослабая теория постулировала не только
Вт
бозоны, необходимые для объяснения бета-распада, но также и новый
З
бозон, который никогда не наблюдался.
Тот факт, что
Вт
и
З
Бозоны имеют массу, тогда как фотоны не имеют массы, было основным препятствием в развитии электрослабой теории. Эти частицы точно описываются калибровочной теорией SU(2) , но бозоны в калибровочной теории должны быть безмассовыми. В качестве примера, фотон не имеет массы, поскольку электромагнетизм описывается калибровочной теорией U(1) . Требуется какой-то механизм, чтобы нарушить симметрию SU(2), придав массу
Вт
и
З
в процессе. Механизм Хиггса , впервые предложенный в работах PRL 1964 года о нарушении симметрии , выполняет эту роль. Он требует существования другой частицы, бозона Хиггса , который с тех пор был обнаружен на Большом адронном коллайдере . Из четырех компонентов голдстоуновского бозона, созданных полем Хиггса, три поглощаются
Вт+
,
З0
, и
Вт−
бозоны формируют свои продольные компоненты, а остаток появляется как бозон Хиггса со спином 0.
Комбинация калибровочной теории SU(2) слабого взаимодействия, электромагнитного взаимодействия и механизма Хиггса известна как модель Глэшоу–Вайнберга–Салама . Сегодня она широко принята как один из столпов Стандартной модели физики элементарных частиц, особенно с учетом открытия бозона Хиггса в 2012 году экспериментами CMS и ATLAS .
Модель предсказывает, что
Вт±
и
З0
Бозоны имеют следующие массы:
где — калибровочная связь SU(2), — калибровочная связь U(1), — ожидаемое значение вакуума Хиггса .
В отличие от бета-распада, наблюдение за нейтральными токовыми взаимодействиями, в которых участвуют частицы, отличные от нейтрино, требует огромных инвестиций в ускорители частиц и детекторы частиц , которые имеются лишь в нескольких лабораториях физики высоких энергий в мире (и то только после 1983 года). Это потому, что
З
Бозоны ведут себя примерно так же, как фотоны, но не становятся важными, пока энергия взаимодействия не станет сравнима с относительно огромной массой
З
бозон.
Открытие
Вт
и
З
бозоны считались крупным успехом ЦЕРНа. Сначала, в 1973 году, было получено наблюдение за нейтральными токовыми взаимодействиями, предсказанными электрослабой теорией. Огромная пузырьковая камера Гаргамеля сфотографировала треки, созданные нейтринными взаимодействиями, и наблюдала события, в которых нейтрино взаимодействовало, но не производило соответствующий лептон. Это является отличительной чертой нейтрального токового взаимодействия и интерпретируется как обмен нейтрино невидимым
З
бозон с протоном или нейтроном в пузырьковой камере. Нейтрино в противном случае невозможно обнаружить, поэтому единственным наблюдаемым эффектом является импульс, придаваемый протону или нейтрону взаимодействием.
Открытие
Вт
и
З
бозоны сами должны были ждать строительства ускорителя частиц достаточно мощного, чтобы производить их. Первой такой машиной, которая стала доступной, был Супер Протонный Синхротрон , где недвусмысленные сигналы
Вт
Бозоны были обнаружены в январе 1983 года в ходе серии экспериментов, проведенных Карло Руббиа и Саймоном ван дер Меером . Фактические эксперименты назывались UA1 (под руководством Руббиа) и UA2 (под руководством Пьера Дарриула ), [9] и были результатом совместных усилий многих людей. Ван дер Меер был движущей силой на конце ускорителя ( стохастическое охлаждение ). UA1 и UA2 обнаружили
З
бозон несколько месяцев спустя, в мае 1983 года. Руббиа и ван дер Меер были немедленно награждены Нобелевской премией по физике 1984 года, что было весьма необычным шагом для консервативного Нобелевского фонда . [10]
The
Вт+
,
Вт−
, и
З0
бозоны вместе с фотоном (
γ
), включают в себя четыре калибровочных бозона электрослабого взаимодействия .
До 2022 года измерения массы W-бозона, по-видимому, соответствовали Стандартной модели. Например, в 2021 году экспериментальные измерения массы W-бозона, как было оценено, сходятся вокруг80 379 ± 12 МэВ . [11]
Однако в апреле 2022 года новый анализ данных, полученных коллайдером Теватрон в Фермилабе до его закрытия в 2011 году, определил массу W-бозона как80 433 ± 9 МэВ , что на семь стандартных отклонений выше, чем предсказывает Стандартная модель, а это означает, что если модель верна [12], то должен быть только один триллионный шанс того, что такая большая масса возникнет из-за несистематической ошибки наблюдения . [13] По словам Ашутоша Котвала из Университета Дьюка и руководителя коллайдерного детектора в коллаборации Fermilab, более низкая используемая светимость пучка уменьшила вероятность того, что интересующие события будут скрыты другими столкновениями, и что использование столкновений протон-антипротон упрощает процесс аннигиляции кварка-антикварка, который затем распадается, давая лептон и нейтрино . [ 14] Команда намеренно зашифровала свои данные и скрыла от себя любые предварительные результаты до завершения анализа, чтобы предотвратить «предвзятость подтверждения», искажающую их интерпретацию данных. [15] Котвал описал это как «самую большую трещину в этой прекрасной теории», предположив, что это может быть «первым явным доказательством» других сил или частиц, не учтенных Стандартной моделью, и которые могут быть учтены такими теориями, как суперсимметрия . [13] Лауреат Нобелевской премии, физик-теоретик Фрэнк Вильчек описал результат как «монументальное произведение». [15]
Помимо того, что новое измерение не соответствует Стандартной модели, оно также не соответствует предыдущим измерениям, таким как ATLAS. Это говорит о том, что либо старые, либо новые измерения, несмотря на все меры предосторожности, имеют неожиданную систематическую ошибку, например, необнаруженную причуду в оборудовании. Будущие эксперименты с LHC могут помочь определить, какой набор измерений, если таковые имеются, является правильным. [15] Заместитель директора Fermilab Джозеф Ликкен повторил, что «... (новое) измерение должно быть подтверждено другим экспериментом, прежде чем его можно будет полностью интерпретировать». [16] Маттиас Шотт из Университета Майнца прокомментировал, что «я не думаю, что нам нужно обсуждать, какая новая физика могла бы объяснить расхождение между CDF [Коллайдерный детектор в Fermilab] и Стандартной моделью — сначала мы должны понять, почему измерение CDF находится в сильном напряжении со всеми [другими измерениями]». [17]
В 2023 году эксперимент ATLAS опубликовал улучшенное измерение массы W-бозона,80 360 ± 16 МэВ , что соответствует предсказаниям Стандартной модели. [18] [19]
В мае 2024 года Группа по данным о частицах пришла к следующему выводу: [20] «Рабочая группа по массе W LHC-TeV, включающая экспертов по массе W из всех экспериментов на адронном коллайдере, CDF, D0, ATLAS, CMS, LHCb, работала над тем, чтобы лучше понять природу этого разногласия и предложить путь вперед для получения мирового среднего значения массы W. ... Группа сообщает [21] , что комбинация всех измерений массы W имеет вероятность совместимости всего 0,5% и поэтому не приветствуется. 91% вероятность совместимости получается при удалении измерения CDF-II. Соответствующее значение массы бозона W составляет mW = 80369,2 ± 13,3 МэВ, что мы приводим как мировое среднее значение». [22]
В сентябре 2024 года эксперимент CMS опубликовал в препринте самое точное на сегодняшний день измерение массы W-бозона, 80 360,2 ± 9,9 МэВ, а также наиболее соответствующее значению, предсказанному стандартной моделью; результаты были получены из данных распадов. [23] [24] [25]
The
Вт
и
З
бозоны распадаются на пары фермионов, но ни один из них
Вт
ни
З
Бозоны имеют достаточно энергии, чтобы распасться на топ-кварк с самой высокой массой . Пренебрегая эффектами фазового пространства и поправками более высокого порядка, простые оценки их фракций ветвления могут быть вычислены из констант связи .
Вт
Бозоны могут распадаться на лептон и антилептон (один из них заряжен, а другой нейтральный) [d] или на кварк и антикварк комплементарных типов (с противоположными электрическими зарядами ±+1/3 и ∓+2/3 ). Ширина распада W-бозона на пару кварк-антикварк пропорциональна соответствующему квадрату матричного элемента CKM и числу цветов кварка , N C = 3 . Тогда ширина распада для W + -бозона пропорциональна:
Здесь,
е+
,
μ+
,
τ+
обозначают три аромата лептонов (точнее, положительно заряженных антилептонов ).
ν
е,
ν
μ,
ν
τобозначают три разновидности нейтрино. Остальные частицы, начиная с
ты
и
г
, все обозначают кварки и антикварки ( применяется фактор N C ). Различные обозначают соответствующие коэффициенты матрицы CKM . [e]
Унитарность матрицы CKM подразумевает, что сумма каждой из двух строк кварков равна 3. Следовательно, лептонные коэффициенты ветвления
Вт
бозоны приблизительно 1/9 . Адронное отношение ветвления доминирует в пользу CKM
ты
г
и
с
с
Конечные состояния. Сумма адронных коэффициентов ветвления была измерена экспериментально и составила67,60 ± 0,27% , с 10,80 ± 0,09% . [26]
З
бозоны распадаются на фермион и его античастицу. Как
З0
бозон представляет собой смесь пред -нарушающих симметрию
Вт0
и
Б0
бозоны (см. слабый угол смешивания ), каждый вершинный фактор включает фактор , где - третий компонент слабого изоспина фермиона («заряд» для слабого взаимодействия), - электрический заряд фермиона (в единицах элементарного заряда ), а - слабый угол смешивания . Поскольку слабый изоспин различен для фермионов разной хиральности , как левосторонних, так и правосторонних , связь также различна.
Относительные силы каждой связи можно оценить , учитывая, что скорости распада включают квадрат этих факторов и все возможные диаграммы (например, сумму по семействам кварков, а также левые и правые вклады). Результаты, представленные в таблице ниже, являются лишь оценками, поскольку они включают только диаграммы взаимодействия на уровне дерева в теории Ферми .
В 2018 году сотрудничество CMS наблюдало первый исключительный распад
З
бозона на ψ-мезон и пару лептон -антилептон. [28]