Bosonii W și Z

Bosonii W și Z  sunt particule fundamentale , purtători ai interacțiunii slabe . Descoperirea lor ( CERN , 1983 ) este considerată unul dintre succesele majore ale Modelului Standard al fizicii particulelor .

Particula W este numită după prima literă a numelui interacțiunii - interacțiune slabă ( slabă ). Particula Z și-a primit numele deoarece bosonul Z are o sarcină electrică zero ( zero ) .

Proprietăți de bază

Există două tipuri de bozoni W - cu sarcină electrică +1 și -1 (în unități de sarcină elementară); W + este antiparticula pentru W − . Bosonul Z (sau Z 0 ) este neutru din punct de vedere electric și este propria sa antiparticulă. Toate cele trei particule au o durată foarte scurtă de viață, cu o durată de viață medie de aproximativ 3⋅10 -25 secunde.

Acești bosoni  sunt greutăți grele printre particulele elementare. Cu o masă de 80,4 și respectiv 91,2 GeV/c 2 , particulele W ± - și Z 0 - sunt de aproape 100 de ori mai grele decât un proton și sunt apropiate de masele atomilor de rubidiu și respectiv tehnețiu . Masa acestor bosoni este foarte importantă pentru înțelegerea forței slabe, deoarece limitează raza de acțiune a forței slabe. Forțele electromagnetice , în schimb, au o gamă infinită, deoarece bosonul lor purtător ( fotonul ) nu are masă.

Toate cele trei tipuri de bosoni au spin 1.

Emisia unui boson W + - sau W - - poate fie să crească, fie să scadă sarcina electrică a particulei emițătoare cu 1 unitate și să modifice spinul cu 1 unitate. În același timp, bosonul W poate schimba generarea unei particule, de exemplu, transforma un cuarc s într-un cuarc u . Bosonul Z 0 nu poate schimba nici sarcina electrică, nici orice altă sarcină ( ciudățenie , farmec etc.) - doar spin și impuls, deci nu schimbă niciodată generarea sau aroma particulei care o emite (vezi curent neutru ).

Interacțiune slabă

Bosonii W și Z sunt particulele purtătoare ale forței slabe, la fel cum fotonul este particula purtătoare a forței electromagnetice. Bosonul W joacă un rol important în dezintegrarea beta nucleară . Luați în considerare, de exemplu, dezintegrarea beta a izotopului de cobalt Co 60 , un proces important care are loc în timpul exploziei unei supernove :

Nu tot nucleul de Co 60 participă la această reacție , ci doar unul dintre cei 33 de neutroni ai săi . Neutronul se transformă într-un proton prin emiterea unui electron (numit aici particulă beta ) și a unui antineutrin electronic :

Din nou, neutronul în sine nu este o particulă fundamentală, ci o particulă compusă, constând dintr-un cuarc u și doi cuarcuri d ( udd ). Deci, ceea ce este implicat de fapt în dezintegrarea beta este unul dintre quarcii d , care se transformă într-un quark u pentru a forma un proton ( uud ). Deci, la nivelul cel mai fundamental, forța slabă schimbă pur și simplu aroma unui quark:

urmată imediat de dezintegrarea lui W − în sine :

Toate numerele cuantice ale bosonului Z sunt egale cu zero, deoarece este o antiparticulă pentru sine (așa-numita particulă neutră adevărată ). Prin urmare, schimbul unui boson Z între particule, numit interacțiunea curenților neutri , nu modifică particulele care interacționează. Spre deosebire de dezintegrarea beta, observațiile interacțiunilor curenților neutri necesită investiții financiare atât de uriașe în acceleratoare și detectoare de particule, încât sunt posibile doar câteva laboratoare de fizică de înaltă energie din lume.

Predicția bosonilor W și Z

În urma progreselor impresionante ale electrodinamicii cuantice din anii 1950 , s-au făcut încercări de a construi o teorie similară pentru forța slabă. Acest lucru a fost realizat în 1968 odată cu construirea unei teorii generale a electromagnetismului și a interacțiunilor slabe de către Sheldon Glashow , Steven Weinberg și Abdus Salam , pentru care au primit împreună Premiul Nobel pentru Fizică în 1979 [5] . Teoria lor asupra forței electro-slăbite nu numai că a prezis bosonul W necesar pentru a explica dezintegrarea beta, ci și un nou boson Z care nu a mai fost observat până acum.

Faptul că bosonii W și Z au masă, în timp ce fotonul nu are masă, a reprezentat un obstacol major în dezvoltarea teoriei electroslabelor. Aceste particule sunt descrise exact de simetria gauge SU (2) , dar bosonii din teoria gauge trebuie să fie fără masă. Astfel, fotonul este un boson fără masă, deoarece electromagnetismul este descris de simetria gauge U(1). Este necesar un mecanism pentru a rupe simetria SU (2), conferind masa bosonilor W și Z în acest proces. O explicație, mecanismul Higgs , a fost propusă la sfârșitul anilor 1960 de Peter Higgs . Acesta prezice existența unei alte particule noi, bosonul Higgs .

Combinația dintre teoria gauge SU (2) a forței slabe, a forței electromagnetice și a mecanismului Higgs este cunoscută ca modelul Glashow–Weinberg–Salam . Acum este unul dintre pilonii modelului standard al fizicii particulelor.

Descoperirea experimentală a bosonilor W și Z

Descoperirea bosonilor W și Z este una dintre cele mai de succes pagini din istoria CERN. Mai întâi, în 1973, s-au făcut observații ale interacțiunilor curenților neutri prezise de teoria interacțiunii electroslabe. Într-o cameră cu bule uriașă „ Gargamel ”, iradiată de un fascicul de neutrini de la un accelerator, au fost fotografiate urme ale mai multor electroni, care au început brusc să se miște, aparent de la sine. Acest fenomen a fost interpretat ca interacțiunea dintre un neutrin și un electron prin schimbul unui boson Z invizibil . Neutrinii sunt, de asemenea, foarte greu de detectat, astfel încât singurul efect observabil este impulsul câștigat de electron după interacțiune.

Descoperirea bosonilor W și Z a trebuit să aștepte până când a fost posibil să se construiască acceleratoare suficient de puternice pentru a le crea. Prima astfel de mașină a fost Super Proton Synchrotron (SPS) cu detectoare UA1 și UA2 (același nume a fost dat colaborărilor care le-au creat), care a furnizat dovezi fără ambiguitate pentru existența bosonilor W într-o serie de experimente efectuate sub direcția a lui Carlo Rubbia şi Simon van der Meera . La fel ca majoritatea experimentelor majore în fizica energiei înalte, acestea au fost munca comună a multor oameni. Van der Meer a fost liderul grupului care operează acceleratorul (inventatorul conceptului de răcire stocastică , care a făcut posibilă descoperirea bosonilor W și Z ). Particulele s-au născut în ciocnirea fasciculelor de protoni și antiprotoni care se ciocnesc . La câteva luni după descoperirea bosonului W (ianuarie 1983), colaborările UA1 și UA2 au descoperit bosonul Z (mai 1983). Rubbia și van der Meer au primit în 1984 Premiul Nobel pentru Fizică [6] la doar un an și jumătate după descoperirea lor, o mișcare neobișnuită a Fundației Nobel, de obicei conservatoare.

Canale de dezintegrare a bosonilor

bosonul W [2] [7] Canal de dezintegrare Probabilitate 10,75% 10,57% 11,25% hadronii 67,60% Bosonul Z cu o probabilitate de 69,91% se descompune într-o pereche de cuarc și antiquarc, formând un mezon; probabilitatea ca acesta să se descompună într-un lepton și un antilepton este de 10,10% [4] . Nașterea bosonilor În 2014, colaborarea ATLAS a raportat înregistrarea producției de perechi de bozoni W cu aceeași sarcină electrică [8] . Masa bosonică În 2022, o colaborare a fizicienilor de la Fermilab , după zece ani de cercetări, a obținut date despre masa bosonului W, care arată că masa bosonului W diferă semnificativ de predicțiile modelului standard . Conform calculelor lor, masa bosonului W este de 80.433,5 MeV plus/minus un total de 9,4 MeV [9] . Aceste date depășesc cu mult predicțiile modelului standard, care limitează bosonul W la 80.357 MeV +/- 6 MeV. Aceasta înseamnă că noua valoare diferă de cea prezisă cu șapte abateri standard. Dacă aceste rezultate sunt confirmate, atunci ele pot indica o particulă necunoscută științei sau fizicii noi care depășește Modelul Standard [10] . Vezi și bosonul W (particulă) bosonul Z (particulă) model standard Bosonul gauge Mecanismul Higgs Lista bosonilor Note ↑ Uimitoarea lume din interiorul nucleului atomic. Întrebări după prelegere Arhivat 15 iulie 2015. , FIAN, 11 septembrie 2007 ↑ 1 2 J. Beringer și colab . (Grupul de date despre particule), Phys. Rev. D86, 010001 (2012). Bosoni Gauge, W - boson. Disponibil la pdglive.lbl.gov  (link nu este disponibil  ) ↑ Copie arhivată . Preluat la 13 aprilie 2022. Arhivat din original la 13 aprilie 2022. (nedefinit) ↑ 1 2 J. Beringer și colab . (Grupul de date despre particule), Phys. Rev. D86, 010001 (2012). Bosoni Gauge, Z - boson. Disponibil la pdglive.lbl.gov Arhivat din original pe 12 iulie 2012.  (Engleză) ↑ Premiul Nobel pentru fizică 1979 Arhivat din original pe 26 februarie 2009.  (Engleză) ↑ Premiul Nobel pentru Fizică 1984 Arhivat 7 aprilie 2011.  (Engleză) ↑ Dezintegrarile antiparticulelor corespunzătoare sunt obținute prin conjugarea de sarcină a dezintegrarilor reduse. ↑ Producția de perechi de bozoni W: rezultate noi și explicații noi Arhivat din original pe 9 august 2014. ↑ CDF Collaboration†‡: T. Aaltonen, S. Amerio, D. Amidei, A. Anastassov, A. Annovi, J. Antos, G. Apollinari, JA Appel, et al. Măsurare de înaltă precizie a masei bosonului W cu detectorul CDF II  . Știință (7 aprilie 2022). Preluat la 13 aprilie 2022. Arhivat din original la 12 aprilie 2022. ↑ Date noi despre masa bosonului W pun la îndoială modelul standard Link -uri Tabel rezumat al proprietăților bosonului W pe site-ul web Particle Data Group. (Engleză) Tabel rezumat al proprietăților bosonului Z pe site-ul web Particle Data Group. (Engleză) Pagina W și Z a CERN (eng) Particule W și Z în hiperfizică Particulă Z pe Everything2 (eng) Particulă nominală Alexey Levin „Mecanica populară” nr. 3, 2012  Particule în fizică particule fundamentale Fermionii Quarci u d s c b t Leptoni e- _ e + μ −  • μ + τ −  • τ + Neutrino ν e  • ν e ν μ  • ν μ ν τ  • ν τ bozoni Ecartament γ g W ±  •Z 0 Scalar bosonul Higgs Particule compozite hadronii Barioni ( Hiperoni ) Nucleonii p p n n Δ Λ Σ Ξ Ω Pentaquarks Mesoni ( Quarkonia ) π η • η′ p ω φ J/ψ ϒ θ K B D T Tetraquarks Compuși ai particulelor fundamentale și (sau) compuse Comun Nuclee atomice deuteron Triton Helion α atomi ionii Cationii Anionii molecule Neobișnuit În fizica hipernucleilor : Λ -hipernuclei Hiperhidrogen Hipertriton Σ -hipernuclei Atomi exotici : mezoatomi muonic Hidrogen muonic Hadronic bujor Kaonic Antiproton Σ -hiperonic Atomi de lepton pozitroniu Muonium Dimuonium protoniu Bujor mezomoleculă Dipozitroniu Lista particulelor Lista barionilor Lista mezonilor model standard