stringtranslate.com

W- и Z-бозоны

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]

Основные свойства

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 .)

Отношения к слабым ядерным силам

Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино через промежуточное вещество
Вт
 бозон

The
Вт
и
З
 Бозоны являются частицами-переносчиками слабого ядерного взаимодействия, подобно тому, как фотон является частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия.

W-бозоны

The
Вт±
 Бозоны наиболее известны своей ролью в ядерном распаде . Рассмотрим, например, бета-распад кобальта -60 .

60
27
Ко
60
28
Ни
+ +е−+νе

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:

н0п++е−+νе

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:

гты+
Вт

за которым немедленно следует распад
Вт
сам:


Вт
е−+νе

Z-бозоны

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]

Прогнозы W+, Вт−и З0бозоны

Диаграмма Фейнмана, показывающая обмен парой
Вт
 бозоны. Это один из основных членов, способствующих нейтральным колебаниям Каона .

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 .

Открытие

Пузырьковая камера Гаргамель , в настоящее время экспонируемая в ЦЕРНе

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 .

Измерения массы W-бозона

В мае 2024 года Группа по исследованию элементарных частиц оценила среднюю мировую массу W-бозона в 80369,2 ± 13,3 МэВ на основе проведенных на сегодняшний день экспериментов. [11]

По состоянию на 2021 год экспериментальные измерения массы W-бозона также оценивались как сходящиеся к80 379 ± 12 МэВ , [12] все согласуются друг с другом и со Стандартной моделью.

В апреле 2022 года новый анализ исторических данных коллайдера Теватрон в Фермилабе до его закрытия в 2011 году определил массу W-бозона как80 433 ± 9 МэВ , что на семь стандартных отклонений выше предсказанного Стандартной моделью. [13] Помимо того, что новое измерение не соответствовало Стандартной модели, оно также не соответствовало предыдущим измерениям, таким как ATLAS. Это говорит о том, что либо старые, либо новые измерения имели неожиданную систематическую ошибку, такую ​​как необнаруженная неполадка в оборудовании. [14] Это привело к тщательной переоценке этого анализа данных и других исторических измерений, а также к планированию будущих измерений для подтверждения потенциального нового результата. Заместитель директора Fermilab Джозеф Ликкен повторил, что «... (новое) измерение должно быть подтверждено другим экспериментом, прежде чем его можно будет полностью интерпретировать». [15] [16]

В 2023 году усовершенствованный эксперимент ATLAS измерил массу W-бозона80 360 ± 16 МэВ , что соответствует предсказаниям Стандартной модели. [17] [18]

Группа по данным о частицах созвала рабочую группу по измерению массы W-бозона на Теватроне, в которую вошли эксперты по массе W из всех экспериментов на адронном коллайдере на сегодняшний день, чтобы разобраться в расхождении. [19] В мае 2024 года они пришли к выводу, что измерение CDF было выбросом, и наилучшая оценка массы была получена путем исключения этого измерения из метаанализа. «Соответствующее значение массы W-бозона составляет mW = 80369,2 ± 13,3 МэВ, что мы приводим как мировое среднее значение». [19] [20] [11]

В сентябре 2024 года эксперимент CMS измерил массу W-бозона на уровне 80 360,2 ± 9,9 МэВ. Это было самое точное измерение на сегодняшний день, полученное из наблюдений большого числа распадов. [21] [22] [23]

Разлагаться

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 .

W-бозоны


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
τ
обозначают 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% . [24]

З0бозон


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 .

Для компактности записи в таблице используются
* Невозможный распад на пару топ-кварк -антикварк не включен в таблицу. [g]
Подзаголовки ЛЕВЫЙ и ПРАВЫЙ обозначают хиральность или «рукость» фермионов. [f]

В 2018 году сотрудничество CMS наблюдало первый исключительный распад
З
 бозона на ψ-мезон и пару лептон -антилептон. [26]

Смотрите также

Сноски

  1. ^ Поскольку нейтрино не подвержены ни сильному взаимодействию , ни электромагнитному взаимодействию , и поскольку гравитационная сила между субатомными частицами пренебрежимо мала, то, согласно дедукции (технически, абдукции ) , такое взаимодействие может происходить только посредством слабого взаимодействия. Поскольку такой электрон не создается из нуклона (оставшееся ядро ​​остается таким же, как и прежде), а вылетающий электрон не изменяется, за исключением импульса, переданного нейтрино, это силовое взаимодействие между нейтрино и электроном должно осуществляться посредством электромагнитно нейтрального бозона слабого взаимодействия . Таким образом, поскольку никакой другой нейтральный носитель силы, взаимодействующий с нейтрино, неизвестен, наблюдаемое взаимодействие должно было произойти путем обмена
    З0
     бозон.
  2. ^ Однако см. раздел «Изменение вкуса нейтральным током» для предположения о том, что редкий
    З
    обмен может привести к изменению вкуса.
  3. ^ ab Первое предсказание
    З
     Бозоны были созданы бразильским физиком Жозе Лейте Лопесом в 1958 году [6], разработавшим уравнение, которое показало аналогию слабых ядерных взаимодействий с электромагнетизмом. Стив Вайнберг, Шелдон Глэшоу и Абдус Салам позже использовали эти результаты для разработки электрослабого объединения [7] в 1973 году.
  4. ^ В частности:

    Вт
    → заряженный лептон + антинейтрино


    Вт+
    → заряженный антилептон + нейтрино
  5. ^ Каждая запись в столбце лептонов может быть также записана в виде трех распадов, например, для первой строки, как
    е+

    ν
    1 ,
    е+

    ν
    2 ,
    е+

    ν
    3 , для каждого собственного массового состояния нейтрино, с шириной распада, пропорциональной ( элементам матрицы PMNS ), но эксперименты, проводимые в настоящее время, которые измеряют распады, не могут различить собственные массовые состояния нейтрино: они измеряют общую ширину распада суммы всех трех процессов.
  6. ^ ab В Стандартной модели правозакрученные нейтрино (и левозакрученные антинейтрино) не существуют; однако некоторые расширения за пределами Стандартной модели допускают их. Если они существуют, то все они имеют изоспин T 3  = 0 и электрический заряд Q  = 0, а также цветовой заряд, равный нулю. Полностью нулевые заряды делают их «стерильными» , т. е. неспособными взаимодействовать ни слабыми, ни электрическими силами, ни сильными силами.
  7. ^ Масса
    т
    кварк плюс а
    т
    больше массы
    З
     бозон, поэтому у него недостаточно энергии, чтобы распасться на
    т

    т
    кварковая пара.

Ссылки

  1. ^ ab Tanabashi, M.; et al. (Particle Data Group) (2018). "Обзор физики элементарных частиц". Physical Review D. 98 ( 3): 030001. Bibcode : 2018PhRvD..98c0001T. doi : 10.1103/PhysRevD.98.030001 . hdl : 10044/1/68623 .
  2. ^ RL Workman et al. (Particle Data Group), «Масса и ширина W-бозона», Prog. Theor. Exp. Phys. 2022, 083C01 (2022).
  3. ^ ab Tanabashi, M.; et al. (Particle Data Group) (2018). "Обзор физики элементарных частиц". Physical Review D. 98 ( 3): 030001. Bibcode : 2018PhRvD..98c0001T. doi : 10.1103/PhysRevD.98.030001 . hdl : 10044/1/68623 .
  4. ^ Вайнберг, Стивен (1967). "Модель лептонов" (PDF) . Physical Review Letters . 19 (21): 1264–1266. Bibcode : 1967PhRvL..19.1264W. doi : 10.1103/physrevlett.19.1264. Архивировано из оригинала (PDF) 12 января 2012 г.— Статья об электрослабом объединении.
  5. ^ Вайнберг, Стивен (1993). Мечты об окончательной теории: поиск фундаментальных законов природы . Vintage Press. стр. 94. ISBN 978-0-09-922391-7.
  6. ^ Лопес, Дж. Лейте (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.
  7. ^ ab "Нобелевская премия по физике 1979 года". Нобелевский фонд .
  8. ^ «Открытие слабых нейтральных токов». CERN Courier. 3 октября 2004 г. Архивировано из оригинала 2017-03-07.
  9. ^ "Коллекция UA2 Collaboration". Архивировано из оригинала 2013-06-04 . Получено 2009-06-22 .
  10. ^ "Нобелевская премия по физике 1984 года" (пресс-релиз). Нобелевский фонд.
  11. ^ ab Amoroso, Simone; Andari, Nansi; Barter, William; Bendavid, Josh; Boonekamp, ​​Maarten; Farry, Stephen; Gruenewald, Martin; Hays, Chris; Hunter, Ross; Kretzschmar, Jan; Lupton, Oliver; Pili, Martina; Miguel Ramos Pernas; Tuchming, Boris; Vesterinen, Mika; Vicini, Alessandro; Wang, Chen; Xu, Menglin (18 августа 2023 г.). "Compatibility and combination of world W-boson mass dimensions". European Physical Journal C. 84 ( 5): 451. arXiv : 2308.09417 . Bibcode : 2024EPJC...84..451L. doi : 10.1140/epjc/s10052-024-12532-z.
  12. ^ PA Zyla et al. (Particle Data Group), Prog. Theor. Exp. Phys. 2020, 083C01 (2021) и обновление 2021 года. https://pdg.lbl.gov/2021/reviews/rpp2021-rev-w-mass.pdf
  13. ^ Weule, Genelle (8 апреля 2022 г.). «Стандартная модель физики оспорена наиболее точным измерением частицы W-бозона». Australian Broadcasting Corporation . Получено 9 апреля 2022 г.
  14. ^ Вуд, Чарли (7 апреля 2022 г.). «Недавно измеренная частица кажется достаточно тяжелой, чтобы сломать известную физику». Журнал Quanta . Получено 9 апреля 2022 г.
  15. ^ Марк, Трейси (7 апреля 2022 г.). «Сотрудничество CDF в Фермилабе объявляет о самом точном из когда-либо существовавших измерений массы W-бозона, которое находится в противоречии со Стандартной моделью». Фермилаб . Получено 8 апреля 2022 г.
  16. ^ Шотт, Маттиас (2022-04-07). «Нашли ли мы наконец новую физику с последним измерением массы W-бозона?». Физика, жизнь и все остальное . Получено 2022-04-09 .
  17. ^ Уэллетт, Дженнифер (24 марта 2023 г.). «Новое значение массы W-бозона скрывает намеки на физику за пределами Стандартной модели». Ars Technica . Получено 26 марта 2023 г.
  18. ^ "Улучшенное измерение массы W-бозона с использованием $\sqrt{s}=7$ ТэВ протон-протонных столкновений с детектором ATLAS". Эксперимент ATLAS . ЦЕРН. 22 марта 2023 г. Получено 26 марта 2023 г.
  19. ^ ab S. Navas et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D110, 030001 (2024)
  20. ^ М. Грюневальд (University Coll. Dublin) и А. Гурту (CERN; TIFR Mumbai) (PDG апрель 2024 г.) Масса и ширина W-бозона ; https://pdg.lbl.gov/2024/reviews/rpp2024-rev-w-mass.pdf
  21. ^ Сотрудничество CMS (17 сентября 2024 г.). "Измерение массы W-бозона в протон-протонных столкновениях при √s=13 ТэВ". Сервер документов CMS .
  22. ^ "CMS обеспечивает наилучшую точность измерения массы W-бозона на LHC | Эксперимент CMS". cms.cern . Получено 20 сентября 2024 г.
  23. ^ "Новые результаты эксперимента CMS разгадали тайну массы W-бозона | журнал symmetry". www.symmetrymagazine.org . 2024-09-17 . Получено 2024-09-20 .
  24. ^ Beringer, J.; et al. ( Particle Data Group ) (2012). "Калибровочные и хиггсовские бозоны" (PDF) . Physical Review D . Обзор физики частиц 2012 года. 86 (1): 1. Bibcode :2012PhRvD..86a0001B. doi : 10.1103/PhysRevD.86.010001 . Архивировано (PDF) из оригинала 2017-02-20 . Получено 21-10-2013 .
  25. ^ Амслер, К.; и др. (Particle Data Group) (2010). "PL B667, 1 (2008), и 2009 частичное обновление для издания 2010 года" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2011-06-05 . Получено 2010-05-19 .
  26. ^ Сирунян, AM; и др. (CMS Collaboration) (2018). "Наблюдение распада Z → ψ ℓ+ ℓ− в столкновениях pp при √s = 13 ТэВ". Physical Review Letters . 121 (14): 141801. arXiv : 1806.04213 . doi :10.1103/PhysRevLett.121.141801. PMID  30339440. S2CID  118950363.

Внешние ссылки