W och Z bosoner

W ± - och Z -bosoner ( W ± , Z 0 )
Förening	fundamental partikel
En familj	boson
Grupp	mäta boson
Deltar i interaktioner	gravitationell [1] , svag , för W-bosoner även elektromagnetisk
Antipartikel	W + för W - Z 0 till sig själv
Antal typer	3
Vikt	W : 80,385±0,015 GeV / s 2 (2012) [2] 80,433±0,009 GeV / s 2 (2022) [3] Z : 91,1876±0,0021 GeV / s 2 [4]
Livstid	~3⋅10 −25 s (sönderfallsbredder: W -boson 2.141 GeV, Z -boson 2.4952 GeV)
Teoretiskt motiverat	Glashow , Weinberg , Salam ( 1968 )
Upptäckt	gemensamma experiment UA1 och UA2 , 1983
kvanttal
Elektrisk laddning	W : ±1 e Z : 0 e
färgladdning	0
baryonnummer	0
Snurra	1 h
Antal spin-tillstånd	3
Mediafiler på Wikimedia Commons

W- och Z -bosoner är fundamentala partiklar , bärare av den svaga interaktionen . Deras upptäckt ( CERN , 1983 ) anses vara en av de största framgångarna för Standardmodellen för partikelfysik .

W -partikeln är uppkallad efter den första bokstaven i namnet på interaktionen - svag ( Svag ) interaktion. Z -partikeln har fått sitt namn eftersom Z -bosonen har en elektrisk laddning noll ( noll ) .

Grundläggande egenskaper

Det finns två typer av W -bosoner - med elektrisk laddning +1 och -1 (i enheter av elementär laddning); W + är antipartikeln för W − . Z -bosonen (eller Z 0 ) är elektriskt neutral och är sin egen antipartikel. Alla tre partiklarna är mycket kortlivade, med en medellivslängd på cirka 3⋅10 −25 sekunder.

Dessa bosoner är tungviktare bland elementarpartiklar. Med en massa på 80,4 respektive 91,2 GeV/c 2 är W ± - och Z 0 -partiklar nästan 100 gånger tyngre än en proton och ligger nära massorna av rubidium- respektive teknetiumatomer . Massan av dessa bosoner är mycket viktig för att förstå den svaga kraften, eftersom den begränsar räckvidden för den svaga kraften. Elektromagnetiska krafter har däremot ett oändligt intervall eftersom deras bärarboson ( fotonen ) inte har någon massa.

Alla tre typer av bosoner har spin 1.

Emissionen av ett W + - eller W - -boson kan antingen öka eller minska den elektriska laddningen av den emitterande partikeln med 1 enhet och ändra spinnet med 1 enhet. Samtidigt kan W -bosonen förändra genereringen av en partikel, till exempel omvandla en s -kvark till en u -kvark . Z 0 bosonen kan inte ändra vare sig elektrisk laddning eller någon annan laddning ( konstighet , charm , etc.) - bara spinn och momentum, så den ändrar aldrig genereringen eller smaken av partikeln som avger den (se neutralström ).

Svag interaktion

W- och Z -bosonerna är bärarpartiklarna för den svaga kraften, precis som fotonen är bärarpartikeln för den elektromagnetiska kraften. W -bosonen spelar en viktig roll i nukleärt beta-sönderfall . Betrakta till exempel beta-sönderfallet av koboltisotopen Co 60 , en viktig process som sker under en supernovaexplosion :

{}_{{27}}^{{60}}{\hbox{Co}}\till {}_{{28}}^{{60}}{\hbox{Ni}}+{\hbox{e }}^{-}+\överlinje {\nu }_{e}.

Inte hela Co 60 -kärnan deltar i denna reaktion , utan bara en av dess 33 neutroner . Neutronen förvandlas till en proton genom att sända ut en elektron (här kallad beta-partikel ) och en elektron antineutrino :

{\hbox{n}}\to {\hbox{p}}+{\hbox{e}}^{-}+\overline {\nu }_{e}.

Återigen är neutronen i sig inte en fundamental, utan en sammansatt partikel, bestående av en u -kvark och två d -kvarkar ( udd ). Så det som faktiskt är inblandat i beta-sönderfall är en av d -kvarkarna, som förvandlas till en u -kvark för att bilda en proton ( uud ). Så på den mest grundläggande nivån ändrar den svaga kraften helt enkelt smaken av en kvarg:

{\hbox{d}}\to {\hbox{u}}+{\hbox{W}}^{-}

omedelbart följt av förfallet av W − självt :

{\hbox{W}}^{-}\to {\hbox{e}}^{-}+\overline {\nu }_{e}.

Alla kvanttal för Z -bosonen är lika med noll, eftersom det är en antipartikel till sig själv (den så kallade sanna neutrala partikeln ). Därför förändrar inte utbytet av en Z -boson mellan partiklar, som kallas interaktionen av neutrala strömmar , de interagerande partiklarna. I motsats till beta-sönderfall kräver observationer av interaktioner mellan neutrala strömmar så enorma ekonomiska investeringar i partikelacceleratorer och detektorer att endast ett fåtal högenergifysikalaboratorier i världen är möjliga.

Förutsägelse av W- och Z -bosoner

Efter de imponerande framstegen inom kvantelektrodynamiken på 1950 -talet gjordes försök att konstruera en liknande teori för den svaga kraften. Detta åstadkoms 1968 med konstruktionen av en allmän teori om elektromagnetism och svag interaktion av Sheldon Glashow , Steven Weinberg och Abdus Salam , för vilken de tillsammans fick 1979 års Nobelpris i fysik [5] . Deras teori om den elektrosvaga kraften förutspådde inte bara W -bosonen som behövdes för att förklara beta-sönderfall, utan också en ny Z -boson som aldrig hade observerats tidigare.

Det faktum att W- och Z -bosonerna har massa, medan fotonen inte har någon massa, har varit ett stort hinder för utvecklingen av den elektrosvaga teorin. Dessa partiklar beskrivs exakt av SU (2) gauge symmetri , men bosonerna i gauge teorin måste vara masslösa. Således är fotonen en masslös boson, eftersom elektromagnetism beskrivs av U(1) gauge symmetri. Någon mekanism behövs för att bryta SU (2)-symmetrin, och förmedla massa till W- och Z -bosonerna i processen. En förklaring, Higgs-mekanismen , föreslogs i slutet av 1960 -talet av Peter Higgs . Den förutspår existensen av ännu en ny partikel, Higgs-bosonen .

Kombinationen av SU (2)-mätarteorin för den svaga kraften, den elektromagnetiska kraften och Higgs-mekanismen är känd som Glashow-Weinberg-Salam-modellen . Nu är det en av pelarna i standardmodellen för partikelfysik.

Experimentell upptäckt av W- och Z -bosonerna

Upptäckten av W- och Z -bosonerna är en av de mest framgångsrika sidorna i CERN:s historia. Först, 1973, gjordes observationer av växelverkan mellan neutrala strömmar som förutspåddes av teorin om den elektrosvaga växelverkan. I en enorm bubbelkammare " Gargamel ", bestrålad av en neutrinostråle från en accelerator, fotograferades spår av flera elektroner, som plötsligt började röra sig, till synes av sig själva. Detta fenomen tolkades som interaktionen mellan en neutrino och en elektron genom utbyte av en osynlig Z -boson. Neutriner är också mycket svåra att upptäcka, så den enda observerbara effekten är det momentum som fås av elektronen efter interaktionen.

Upptäckten av själva W- och Z -bosonerna fick vänta tills det var möjligt att bygga acceleratorer kraftfulla nog att skapa dem. Den första sådana maskinen var Super Proton Synchrotron (SPS) med detektorerna UA1 och UA2 (samma namn gavs till de samarbeten som skapade dem), vilket gav entydiga bevis för existensen av W -bosoner i en serie experiment utförda under ledning av Carlo Rubbia och Simon van der Meera . Liksom de flesta stora experiment inom högenergifysik var de många människors gemensamma arbete. Van der Meer var ledaren för gruppen som körde acceleratorn (uppfinnaren av konceptet stokastisk kylning , som gjorde upptäckten av W- och Z -bosonerna möjlig). Partiklar föddes i kollisionen av kolliderande strålar av protoner och antiprotoner . Några månader efter upptäckten av W -bosonen (januari 1983) upptäckte UA1- och UA2-samarbetena Z -bosonen (maj 1983). Rubbia och van der Meer tilldelades 1984 års Nobelpris i fysik [6] bara ett och ett halvt år efter upptäckten, ett ovanligt drag av den vanligtvis konservativa Nobelstiftelsen.

Boson förfall kanaler

W -boson [2] [7]
Decay kanal	Sannolikhet
${\displaystyle W^{+}\högerpil e^{+}+\nu _{e))$	10,75 %
$W^{+}\rightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }$	10,57 %
${\displaystyle W^{+}\högerpil \tau ^{+}+\nu _{\tau ))$	11,25 %
hadroner	67,60 %

Z -boson med en sannolikhet på 69,91% sönderfaller till ett par kvark och antikvark, och bildar en meson; sannolikheten att den sönderfaller till en lepton och en antilepton är 10,10 % [4] .

Bosonernas födelse

2014 rapporterade ATLAS-samarbetet registreringen av produktionen av par av W-bosoner med samma elektriska laddning [8] .

Bosonmassa

År 2022 erhöll ett samarbete av fysiker vid Fermilab , efter tio års forskning, data om massan av W-bosonen, som visar att massan av W-bosonen skiljer sig väsentligt från förutsägelserna i standardmodellen . Enligt deras beräkningar är massan av W-boson 80 433,5 MeV plus/minus totalt 9,4 MeV [9] . Dessa data ligger långt bortom förutsägelserna för standardmodellen, som begränsar W-bosonen till 80 357 MeV +/- 6 MeV. Detta innebär att det nya värdet skiljer sig från det förutsagda med sju standardavvikelser. Om dessa resultat bekräftas, kan de indikera en partikel okänd för vetenskapen eller ny fysik som går utöver standardmodellen [10] .

Se även

Anteckningar

↑ Den fantastiska världen inuti atomkärnan. Frågor efter föreläsningen Arkiverad 15 juli 2015. , FIAN, 11 september 2007
↑ 1 2 J. Beringer et al . (Partikeldatagrupp), Phys. Varv. D86, 010001 (2012). Mätare bosoner, W - boson. Tillgänglig på pdglive.lbl.gov (länk ej tillgänglig )
↑ Arkiverad kopia . Hämtad 13 april 2022. Arkiverad från originalet 13 april 2022. (obestämd)
↑ 1 2 J. Beringer et al . (Partikeldatagrupp), Phys. Varv. D86, 010001 (2012). Mätare bosoner, Z - boson. Tillgänglig på pdglive.lbl.gov Arkiverad från originalet den 12 juli 2012. (Engelsk)
↑ Nobelpriset i fysik 1979 Arkiverat från originalet den 26 februari 2009. (Engelsk)
↑ Nobelpriset i fysik 1984 Arkiverat 7 april 2011. (Engelsk)
↑ Nedbrytningarna av motsvarande antipartiklar erhålls genom laddningskonjugering av de reducerade avklingningarna.
↑ Parproduktion av W-bosoner: nya resultat och nya förklaringar Arkiverade från originalet den 9 augusti 2014.
↑ CDF Collaboration†‡: T. Aaltonen, S. Amerio, D. Amidei, A. Anastassov, A. Annovi, J. Antos, G. Apollinari, JA Appel, et al. Högprecisionsmätning av W-bosonmassan med CDF II-detektorn . Vetenskap (7 april 2022). Hämtad 13 april 2022. Arkiverad från originalet 12 april 2022.
↑ Nya data om massan av W-bosonen kastade tvivel på standardmodellen

Länkar

Sammanfattningstabell över W - boson- egenskaper på webbplatsen för Particle Data Group. (Engelsk)
Sammanfattningstabell över Z - bosonegenskaper på webbplatsen för Particle Data Group. (Engelsk)
W och Z sida av CERN (eng)
W- och Z- partiklar på hyperfysik
Z-partikel på Everything2 (eng)
Nominell partikel Alexey Levin "Popular Mechanics" nr 3, 2012

Partiklar i fysiken

grundläggande
partiklar

Fermioner

Quarks	u d s c b t
leptoner	e- _ e + μ − • μ + τ − • τ + Neutrino ν e • ν e ν μ • ν μ ν τ • ν τ

Bosoner

Mätare	γ g W ± •Z 0
Skalär	Higgs boson

Kompositpartiklar
_

hadroner

Baryoner ( Hyperoner )	Nukleoner sid sid n n Δ Λ Σ Ξ Ω Pentaquarks
Mesons ( Quarkonia )	π η • η′ sid ω φ J/ψ ϒ θ K B D T Tetraquarks

Föreningar av fundamentala och (eller) sammansatta partiklar

Vanlig	Atomkärnor deuteron Triton Helion α atomer joner Katjoner anjoner molekyler
Ovanlig	I hypernucleus fysik : Λ -hypernuclei Hyperväte Hypertriton Σ -hypernuclei Exotiska atomer : Mesoatomer Muonic Muoniskt väte Hadronic pion Kaonic Antiproton Σ -hyperonisk Leptonatomer positronium Muonium Dimuonium protonium Pion mesomolecule Dipositronium