W і z бозони

Відео: SciShow - Слабка взаємодія

У фізиці W і Z бозони - елементарні частинки, які переносять слабку взаємодію. Їх відкриття 1983 року в ЦЕРНі вважають одним з головних успіхів Стандартної моделі фізики елементарних частинок. W частинку названий за першою літерою англійського назви слабкої взаємодії (Weak). Іноді напівжартома кажуть, що Z частка отримала таку назву, оскільки повинна була стати останньою часткою, яку взагалі потрібно відкрити. (Z - остання буква латинського алфавіту). Інше пояснення полягає в тому, що назва походить від того факту, що Z бозон має нульовий (Zero) електричний заряд.
Існує два типи W бозонів - з електричним зарядом +1 і -1 (в одиницях елементарного заряду) - W + є античастинкою для W -. Z бозон (або Z 0) електрично нейтральний і є античастинкою сам для себе. Всі три частки дуже короткоживучі, із середнім часом життя близько 3 • 10 -25 секунд.
Ці бозони - «важковаговики» серед елементарних частинок. З масою в 80,4 і 91,2 ГеВ / c 2, відповідно, W і Z 0 частинки майже в 100 разів масивніше протона - і навіть масініші атомів заліза. Маса цих бозонів дуже важлива для розуміння слабкої взаємодії, оскільки обмежує радіус дії слабкої взаємодії. Електромагнітні сили, навпаки, мають нескінченний радіус дії, тому що їх бозон-переносник (фотон) не має маси.
Всі три бозони мають спін 1.
Випускання W + або W - бозона може або підвищити, або знизити електричний заряд частинки, його випромінює, на 1 одиницю і змінити спін на 1 одиницю. У той же час W бозон може змінювати покоління частинки, наприклад, перетворювати s-кварк в u-кварк. Z 0 бозон не може змінювати ні електричний заряд, ні будь-який інший заряд (дивина, чарівність і т. Д.) - тільки спин і імпульс, так що він ніколи не змінює покоління або аромат частинки, віппромінюе його (див. слабкий нейтральний струм).
W і Z бозони - це частинки-переносники, які переносять слабку взаємодію, як фотон є часткою-переносником для електромагнітної взаємодії. Відомо, що W бозон грає важливу роль в ядерному розпаді. Розглянемо для прикладу бета-розпад ізотопу кобальту Co 60, важливий процес, що відбувається при вибухах наднових:





Знову ж, сам нейтрон не є елементарною частинкою, а є складною частинкою, що складається з u-кварка і двох d-кварків (udd). Отже, в дійсності в бета-розпаді бере участь один з d-кварків, який перетворюється в u-кварк, щоб сформувати протон (uud). Отже, на самому фундаментальному рівні слабку взаємодію просто змінює аромат одного кварка:



за яким негайно відбувається розпад самого W -:





Всі квантові числа Z бозона дорівнюють нулю, оскільки він є античастинкою сам для себе. Отже, обмін Z бозоном між частинками, який називають взаємодією нейтральних струмів, не змінює частки, які взаємодіють, за винятком передачі імпульсу. На відміну від бета-розпаду, спостереження взаємодій нейтральних струмів вимагають таких величезних грошових вкладень в прискорювачі елементарних частинок і детектори, що можливі лише в декількох лабораторіях фізики високих енергій в світі.
Після вражаючих успіхів квантової електродинаміки в 1950-х робилися спроби побудувати схожу теорію для слабкої взаємодії. Це вдалося зробити 1968 року шляхом побудови загальної теорії електромагнетизму і слабких взаємодій Шелдоном Глешоу, Стівеном Вайнбергом і Абдусом Саламом, за яку вони разом отримали Нобелівську премію з фізики за 1979 Їх теорія електрослабкої взаємодії передбачила не тільки W-бозон, необхідний для пояснення бета розпаду, але також і новий Z-бозон, який до цього ніколи не спостерігався.
Той факт, що W і Z бозони мають масу, тоді як фотон маси не має, був основною перешкодою для розвитку теорії електрослабкої взаємодії. Ці частинки точно описуються калібрувальної симетрією SU (2), але бозони в калібрувальної теорії повинні бути безмасовіми. Так фотон є безмасовім бозоном, оскільки електромагнетизм описується калібрувальної симетрією U (1). Необхідний певний механізм, який би порушував симетрію SU (2), в процесі надаючи масу W і Z бозони. Одне пояснення, механізм Хіггса, було запропоновано Пітером Хігсом в кінці 1960-х. Воно передбачає існування ще однієї нової частинки - бозона Хіггса.
Поєднання калібрувальної теорії SU (2) слабкої взаємодії, електромагнітної взаємодії і механізму Хіггса відомо як модель Глешоу-Вайнберга-Салама. Зараз це один із стовпів Стандартної моделі фізики елементарних частинок. На 2006 рік єдиний прогноз Стандартної моделі, яка експериментально не доведено - це існування бозона Хіггса.
Відкриття W і Z бозонів - одна з найуспішніших сторінок історії ЦЕРНу. Спочатку, в 1973 році, здійснювалося спостереження взаємодій нейтральних струмів, передбачених теорією електрослабкої взаємодії. У величезній бульбашковій камері «Гаргамелле» було сфотографовано треки декількох електронів, які раптово починали рухатися, здавалося б, самі собою. Це явище було інтерпретовано як взаємодія нейтрино і електрона за допомогою обміну невидимим Z бозоном. Нейтрино також дуже важко детектувати, так що єдиним спостережуваним ефектом є імпульс, отриманий електроном після взаємодії.
Відкриття самих W і Z бозонів довелося чекати, поки не стало можливим побудувати прискорювачі, досить потужні, щоб створити їх. Першою такою машиною став Супер-Протон-синхротрон, на якому було отримано недвозначні докази існування W бозонів в серіях експериментів, здійснених Карло Рубі і Симоном ван дер Меєр. (Насправді експерименти називалися UA1 (під керівництвом Рубі) і UA2, і були спільною працею багатьох людей. Ван дер Меєр був керівником робіт на кінці прискорювача, виконуючи стохастическое охолодження).) UA1 і UA2 знайшли Z бозон через кілька місяців, у травні 1983 року. Рубі і Ван дер Меєра було майже відразу нагороджений Нобелівською премією з фізики за 1984, що було досить незвичним кроком для консервативної Нобелівської фонду.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!