W и Z-бозоны

В физике элементарных частиц W- и Z-бозоны представляют собой векторные бозоны , 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 положительный или отрицательный электрический заряд в 1 элементарный заряд и являются античастицами друг друга .
З⁰
Бозон электрически нейтрален и является собственной античастицей . Каждая из трёх частиц имеет спин , равный 1.
Вт^±
бозоны обладают магнитным моментом, но
З⁰
не имеет ни одного. Все три эти частицы очень короткоживущие, с периодом полураспада около3 × 10 ⁻²⁵ с . Их экспериментальное открытие сыграло решающую роль в создании 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 модели.
Вт
бозоны уже были названы, и
З
Бозоны получили свое название из-за отсутствия электрического заряда. ^[5]

Два
Вт
бозоны являются проверенными медиаторами поглощения и испускания нейтрино . В ходе этих процессов
Вт^±
Заряд бозона вызывает эмиссию или поглощение электронов или позитронов, вызывая тем самым ядерную трансмутацию .

The
З
бозон обеспечивает передачу импульса, спина и энергии при упругом рассеянии нейтрино от материи (процесс, сохраняющий заряд). Такое поведение почти так же распространено, как неупругое взаимодействие нейтрино, и может наблюдаться в пузырьковых камерах при облучении пучками нейтрино.
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 нейтрино луч присутствует. В этом процессе нейтрино просто сталкивается с электроном (посредством обмена бозоном), а затем рассеивается от него, передавая часть импульса нейтрино электрону. ^[а]

Основные свойства

Эти бозоны относятся к числу тяжеловесов элементарных частиц. С массами _80,4 ГэВ/ c ² и91,2 ГэВ/ с ² соответственно
Вт
и
З
Бозоны почти в 80 раз массивнее протона – даже тяжелее целых атомов железа .

Их большие массы ограничивают диапазон слабого взаимодействия. Напротив, фотон является носителем электромагнитной силы и имеет нулевую массу, что соответствует бесконечному диапазону электромагнетизма ; Ожидается, что гипотетический гравитон также будет иметь нулевую массу. (Хотя предполагается, что глюоны также имеют нулевую массу, диапазон силы цвета ограничен по разным причинам; см. Ограничение цвета .)

Все три бозона имеют спин частицы s = 1. Испускание
Вт⁺
или
Вт⁻
Бозон либо понижает, либо увеличивает электрический заряд излучающей частицы на одну единицу, а также изменяет спин на одну единицу. В то же время выделение или поглощение
Вт^±
бозон может изменить тип частицы – например, превратить странный кварк в ап-кварк . Нейтральный Z-бозон не может изменить электрический заряд какой-либо частицы, равно как и любой другой из так называемых « зарядов » (таких как странность , барионное число , очарование и т. д.). Выделение или поглощение
З⁰
бозон может изменить только спин, импульс и энергию другой частицы. (См. также Слабый нейтральный ток .)

Отношения со слабым ядерным взаимодействием

The
Вт
и
З
Бозоны — это частицы-носители, которые передают слабое ядерное взаимодействие, так же как фотон является частицей-носителем электромагнитного взаимодействия.

W-бозоны

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

⁶⁰
₂₇Ко
→⁶⁰
₂₈Ни
⁺ +е−+νе

В этой реакции не участвует все ядро кобальта-60 , а затрагивается только один из 33 его нейтронов. Нейтрон превращается в протон, одновременно испуская электрон (в данном контексте называемый бета-частицей ) и электронное нейтрино:

н0→п++е−+νе

Опять же, нейтрон — это не элементарная частица, а смесь верхнего и двух нижних кварков (
ты

д

д
). Это один из нижних кварков, который взаимодействует при бета-распаде, превращаясь в верхний кварк с образованием протона (
ты

ты

д
). Таким образом, на самом фундаментальном уровне слабое взаимодействие меняет аромат отдельного кварка:

д→ты+
Вт⁻

за которым сразу же следует распад
Вт⁻
сам:

Вт⁻
→е−+νе

Z-бозоны

The
З⁰
бозон — это собственная античастица . Таким образом, все его ароматные квантовые числа и заряды равны нулю. Обмен
З
бозон между частицами, называемое взаимодействием нейтрального тока , поэтому оставляет взаимодействующие частицы незатронутыми, за исключением передачи спина и/или импульса . ^[б]

З
Бозонные взаимодействия с участием нейтрино имеют четкие признаки: они обеспечивают единственный известный механизм упругого рассеяния нейтрино в веществе; нейтрино почти с такой же вероятностью рассеиваются упруго (через
З
обмен бозоном), так и неупруго (через обмен W-бозоном). ^[c] Слабые нейтральные токи через
З
бозонный обмен был подтвержден вскоре после этого (также в 1973 году) в нейтринном эксперименте в пузырьковой камере Гаргамеля в ЦЕРНе . ^[8]

Предсказания бозонов W + , W − и Z 0

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

После успеха квантовой электродинамики в 1950-х годах были предприняты попытки сформулировать аналогичную теорию слабого ядерного взаимодействия. Кульминацией этого процесса стала разработка Шелдоном Глэшоу , Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом в 1968 году единой теории электромагнетизма и слабых взаимодействий , за которую они получили в 1979 году Нобелевскую премию по физике . ^[7]^[c] Их электрослабая теория постулировала не только
Вт
бозоны, необходимые для объяснения бета-распада, но и новый
З
бозон, который никогда не наблюдался.

Тот факт, что
Вт
и
З
бозоны имеют массу, а фотоны безмассовые, что было главным препятствием в разработке электрослабой теории. Эти частицы точно описываются калибровочной теорией SU(2) , но бозоны в калибровочной теории должны быть безмассовыми. Например, фотон безмассовый, поскольку электромагнетизм описывается калибровочной теорией U (1) . Требуется какой-то механизм, чтобы нарушить симметрию SU(2), придав массу
Вт
и
З
в процессе. Эту роль выполняет механизм Хиггса , впервые предложенный в 1964 году в статьях о нарушении симметрии PRL . Для этого необходимо существование еще одной частицы, бозона Хиггса , который с тех пор был обнаружен на Большом адронном коллайдере . Из четырех компонентов бозона Голдстоуна, созданного полем Хиггса, три поглощаются
Вт⁺
,
З⁰
, и
Вт⁻
бозоны образуют свои продольные компоненты, а остаток появляется как бозон Хиггса со спином 0.

Комбинация SU(2)-калибровочной теории слабого взаимодействия, электромагнитного взаимодействия и механизма Хиггса известна как модель Глэшоу-Вайнберга-Салама . Сегодня он широко признан одним из столпов Стандартной модели физики элементарных частиц, особенно с учетом открытия в 2012 году бозона Хиггса в экспериментах CMS и ATLAS .

Модель предсказывает, что
Вт^±
и
З⁰
бозоны имеют следующие массы:

{\begin{aligned}m_{{\text{W}}^{\pm }}&={\tfrac {1}{2}}vg\\m_{{\text{Z}}^{ 0}}&={\tfrac {1}{2}}v{\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}}}\end{aligned}}

где – калибровочная связь SU(2), – калибровочная связь U(1), – вакуумное математическое ожидание Хиггса . $г$ $г'$ $v$

Открытие

Пузырьковая камера Гаргамеля , сейчас выставленная в ЦЕРНе

В отличие от бета-распада, наблюдение взаимодействий нейтрального тока, в которых участвуют частицы, отличные от нейтрино , требует огромных инвестиций в ускорители частиц и детекторы частиц , такие как доступны 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 до тех пор, пока энергия взаимодействия не станет сравнимой с относительно огромной массой бозона.
З
бозон.

Открытие
Вт
и
З
бозонов считалось большим успехом ЦЕРН. Сначала, в 1973 году, было обнаружено взаимодействие нейтральных токов, предсказанное электрослабой теорией. Огромная пузырьковая камера Гаргамеля фотографировала треки, возникающие в результате взаимодействия нейтрино, и наблюдала события, в которых нейтрино взаимодействовало, но не производило соответствующий лептон. Это признак взаимодействия нейтрального тока, который интерпретируется как обмен нейтрино невидимым
З
бозон с протоном или нейтроном в пузырьковой камере. В противном случае нейтрино невозможно обнаружить, поэтому единственным наблюдаемым эффектом является импульс, сообщаемый протону или нейтрону в результате взаимодействия.

Открытие
Вт
и
З
самим бозонам пришлось ждать, пока будет построен ускоритель частиц, достаточно мощный для их производства. Первой такой машиной, ставшей доступной, стал Суперпротонный синхротрон , в котором однозначные сигналы
Вт
Бозоны были замечены в январе 1983 года в ходе серии экспериментов, ставших возможными благодаря Карло Руббиа и Симону ван дер Мееру . Фактические эксперименты назывались UA1 (под руководством Руббиа) и UA2 (под руководством Пьера Дарриула ) ^[9] и были совместными усилиями многих людей. Ван дер Меер был движущей силой на стороне ускорителя ( стохастическое охлаждение ). UA1 и UA2 нашли
З
бозон несколько месяцев спустя, в мае 1983 года. Руббиа и ван дер Меер были незамедлительно удостоены Нобелевской премии по физике 1984 года, что стало самым необычным шагом для консервативного Нобелевского фонда .^[10]

The
Вт⁺
,
Вт⁻
, и
З⁰
бозоны вместе с фотоном (
γ
), содержат четыре калибровочных бозона электрослабого взаимодействия .

Неожиданное измерение массы W-бозона в 2022 году

До 2022 года измерения массы W-бозона, казалось, соответствовали Стандартной модели. Например, в 2021 году экспериментальные измерения массы W-бозона, по оценкам, сошлись около80 379 ± 12 МэВ . ^[11]

Однако в апреле 2022 года новый анализ данных, полученных на коллайдере Фермилаб Тэватрон перед его закрытием в 2011 году, определил, что масса W-бозона равна80 433 ± 9 МэВ , что на семь стандартных отклонений выше предсказанного Стандартной моделью. Это означает, что если модель верна ^{[12] , то вероятность того, что такая большая масса возникнет в результате}несистематических наблюдений, должна составлять всего одну триллионную. ошибка . ^[13] По словам Ашутоша Котвала из Университета Дьюка и руководителя программы «Коллайдер-детектор» в коллаборации Фермилаб, используемая светимость нижнего луча снижает вероятность того, что интересующие события будут скрыты другими столкновениями, а использование протон-антипротонных столкновений упрощает исследование. процесс аннигиляции кварка-антикварка, который затем распался с образованием лептона 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 свидетельством» существования других сил или частиц, не учтенных Стандартной моделью и которые могут быть объяснены такими теориями, как как суперсимметрия . ^[13] Лауреат Нобелевской премии по физике-теоретику Франк Вильчек назвал этот результат «монументальной работой». ^[15]

Помимо того, что новое измерение несовместимо со Стандартной моделью, оно также несовместимо с предыдущими измерениями, такими как ATLAS. Это говорит о том, что либо старые, либо новые измерения, несмотря на все меры предосторожности, имеют неожиданную систематическую ошибку, например, необнаруженную особенность оборудования. Будущие эксперименты с БАК могут помочь определить, какой набор измерений является правильным. ^[15] Заместитель директора Фермилаборатории Джозеф Ликкен повторил, что «... (новое) измерение должно быть подтверждено другим экспериментом, прежде чем его можно будет полностью интерпретировать». ^[16] Матиас Шотт из Университета Майнца прокомментировал: «Я не думаю, что нам нужно обсуждать, какая новая физика могла бы объяснить несоответствие между CDF [детектором коллайдеров в Фермилабе] и Стандартной моделью – мы сначала должны понять, почему Измерение CDF находится в сильном противоречии 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] Комбинация всех измерений массы W-бозона, исключая измерение по CDF, дает значение (80369,2 ± 13,3) МэВ/с², которое отклоняется от измерения CDF со значимостью 3,6σ. ^[20]

Разлагаться

The
Вт
и
З
бозоны распадаются на фермионные пары, но ни
Вт
ни
З
Бозоны обладают достаточной энергией, чтобы распасться на топ-кварк с наибольшей массой . Пренебрегая эффектами фазового пространства и поправками более высокого порядка, простые оценки их долей ветвления можно рассчитать на основе констант связи .

W-бозоны

Вт
бозоны могут распадаться на лептон и антилептон (один из них заряжен, другой нейтральный) ^[d] или на кварк и антикварк дополнительных типов (с противоположными электрическими зарядами ±+1/3и ∓+2/3). Ширина распада W _- бозона на пару кварк-антикварк пропорциональна соответствующему квадрату матричного элемента CKM и числу цветов кварков $NC$ = 3 . Тогда ширины распада W ⁺ -бозона пропорциональны:

Здесь,
е⁺
,
мкм⁺
,
τ⁺
обозначают три аромата лептонов (точнее, положительно заряженные антилептоны ).
ν
_е,
ν
_мкм,
ν
_τобозначают три аромата нейтрино. Остальные частицы, начиная с
ты
и
д
_, все обозначают кварки и антикварки ( применяется коэффициент $NC ).$ Различные обозначают соответствующие коэффициенты матрицы CKM . ^[э] $\,V_{ij}\,$

Унитарность матрицы CKM означает, что сумма каждой из двух кварковых строк равна 3. Следовательно, коэффициенты лептонного ветвления $~|V_{\text{ud}}|^{2}+|V_{\text{us}}|^{2}+|V_{\text{ub}}|^{2}~=$ $~|V_{\text{cd}}|^{2}+|V_{\text{cs}}|^{2}+|V_{\text{cb}}|^{2}=1 ~,$
Вт
бозоны примерно ${\ displaystyle \, B (\ mathrm {e} ^ {+} \ mathrm {\ nu } _ {\ mathrm {e} }) = \,}$ ${\ displaystyle \, B (\ mathrm {\ mu } ^ {+} \ mathrm {\ nu } _ {\ mathrm {\ mu } }) = \,}$ ${\ displaystyle \, B (\ mathrm {\ tau } ^ {+} \ mathrm {\ nu } _ {\ mathrm {\ tau } }) = \,}$ 1/9В коэффициенте адронного ветвления преобладает коэффициент, благоприятствующий CKM.
ты

д
и
с

с
конечные состояния. Экспериментально измеренная сумма коэффициентов ветвления адронов равна67,60 ± 0,27% , с $\,B(\ell ^{+}\mathrm {\nu } _{\ell })=\,$ 10,80 ± 0,09 % . ^[21]

Z 0 бозон

З
бозоны распадаются на фермион и его античастицу. Как
З⁰
бозон представляет собой смесь нарушающих предсимметрию
Вт⁰
и
Б⁰
бозонов (см. угол слабого смешивания ), каждый вершинный фактор включает множитель где – третья компонента слабого изоспина фермиона («заряд» для слабого взаимодействия), – электрический заряд фермиона (в единицах элементарного взаимодействия ) заряд ), а – угол слабого смешивания . Поскольку слабый изоспин различен для фермионов разной киральности , как левых, так и правых , связь также различна. $~T_{3}-Q\sin ^{2}\,\theta _{\mathsf {W}}~,$ $\,T_{3}\,$ $\,Q\,$ $\;\theta _{\mathsf {w}}\;$ $(\,T_{3}\,)$

Относительную силу каждой связи можно оценить, учитывая, что скорости распада включают квадрат этих факторов и все возможные диаграммы (например, сумму по семействам кварков, а также левый и правый вклады). Результаты, представленные в таблице ниже, являются лишь оценками, поскольку они включают только диаграммы взаимодействия на уровне дерева в теории Ферми .

Для компактности обозначений в таблице используются

~x=\sin ^{2}\,\theta _{\text{W}}~.

* Невозможный распад на пару топ-кварк -антикварк исключен из таблицы. ^[г]

Подзаголовки ЛЕВЫЙ и ПРАВЫЙ обозначают киральность или «рукакость» фермионов. ^[ф]

В 2018 году коллаборация CMS наблюдала первый эксклюзивный распад
З
бозона к ψ-мезону и паре лептон -антилептон. ^[23]

Смотрите также

Статистика Бозе – Эйнштейна - Описание поведения бозонов.
Список частиц
Математическая формулировка Стандартной модели - Математика модели физики элементарных частиц.
Слабый заряд
Бозоны W 'и Z' - гипотетические частицы в физике
Бозоны X и Y - Гипотетические элементарные частицы: аналогичная пара бозонов, предсказанная Теорией Великого Объединения.
ЗЗ дибозон

Сноски

^ Поскольку на нейтрино не влияют ни сильное взаимодействие , ни электромагнитное взаимодействие , а также поскольку гравитационная сила между субатомными частицами незначительна, по дедукции (технически, похищению ) такое взаимодействие может происходить только через слабое взаимодействие. Поскольку такой электрон не создается из нуклона (оставшееся ядро остается таким же, как и раньше) и улетающий электрон не изменяется, за исключением импульса, сообщаемого нейтрино, то это силовое взаимодействие между нейтрино и электроном должно быть опосредовано электромагнитно нейтральный бозон слабого взаимодействия . Таким образом, поскольку никакой другой нейтральный носитель силы, взаимодействующий с нейтрино, неизвестен, наблюдаемое взаимодействие должно было происходить путем обмена
З⁰
бозон.
^ Однако см. Нейтральный ток, изменяющий вкус, где высказано предположение о том, что редкий
З
обмен может привести к изменению вкуса.
^ ab Первое предсказание
З
Бозоны были получены бразильским физиком Хосе Лейте Лопесом в 1958 году ^[6] путем разработки уравнения, показывающего 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.
^ В частности:

Вт⁻
→ заряженный лептон + антинейтрино

Вт⁺
→ заряженный антилептон + нейтрино
^ Каждую запись в столбце лептонов также можно записать как три распада, например, для первой строки как
е⁺

ν
₁ ,
е⁺

ν
₂ ,
е⁺

ν
₃ , для каждого собственного состояния массы нейтрино, с шириной распада, пропорциональной ( элементам матрицы PMNS ), но эксперименты в настоящее время, которые измеряют распады, не могут различать собственные состояния массы нейтрино: они измеряют общую ширину распада суммы всех трех процессов. $\,|U_{\text{e1}}|^{2}\,,$ $\,|U_{\text{e2}}|^{2}\,,$ $\,|U_{\text{e3}}|^{2}\,$
^ ab В Стандартной модели правые нейтрино (и левые антинейтрино) не существуют; однако некоторые расширения за пределами Стандартной модели позволяют это сделать. Если они существуют, то все они имеют изоспин $Т$ ₃ = 0 и электрический заряд $Q$ = 0, а с цветовым зарядом еще и нулевой. Полностью нулевые заряды делают их «стерильными» , то есть неспособными взаимодействовать ни со слабыми, ни с электрическими силами, а также с сильными взаимодействиями.
^ Масса
т
кварк плюс
т
больше, чем масса
З
бозон, поэтому у него недостаточно энергии для распада на
т

т
кварковая пара.

Внешние ссылки

СМИ, связанные с W- и Z-бозонами, на Викискладе?
Обзор физики элементарных частиц — главный источник информации о свойствах частиц.
Частицы W и Z: личные воспоминания Пьера Дарриула
Когда ЦЕРН увидел конец алфавита Даниэль Денегри
Частицы W и Z в Гиперфизике

W и Z-бозоны

Основные свойства

Отношения со слабым ядерным взаимодействием

W-бозоны

Z-бозоны

Предсказания бозонов W + , W − и Z 0

Открытие

Неожиданное измерение массы W-бозона в 2022 году

Разлагаться

W-бозоны

Z 0 бозон

Смотрите также

Сноски

Рекомендации

Внешние ссылки