Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

W-і Z-бозони



План:


Введення

W - і Z-бозони - елементарні частинки, переносники слабкої взаємодії. Їх відкриття ( ЦЕРН, 1983) вважається одним з найголовніших успіхів Стандартної моделі фізики елементарних частинок.

W-частка названа по першій букві назви взаємодії - слабке (Weak) взаємодія. Z-частинка отримала таке ім'я, оскільки Z-бозон має нульовий (Zero) електричний заряд.


1. Основні властивості

Існує два типи W-бозонів - з електричним зарядом +1 і -1 (в одиницях елементарного заряду); W + є античастицей для W -. Z-бозон (або Z 0) електрично нейтральний і є античастицей сам для себе. Всі три частинки дуже короткоживучі, з 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 важче протона і близькі до маси атомів рубідію і техніці, відповідно. 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 типи бозонів мають спін ​​1.

Випускання W + або W - бозона може або підвищити, або знизити електричний заряд випускає частки на 1 одиницю і змінити спін на 1 одиницю. У той же час W-бозон може міняти покоління частинки, наприклад, перетворювати s-кварк в u-кварк. Z 0 бозон не може міняти ні електричний заряд, ні будь-який інший заряд ( дивина, чарівність і т. д.) - тільки спін та імпульс, так що він ніколи не змінює покоління або аромат частинки, що випускає його (див. слабкий нейтральний струм).


2. Слабка взаємодія

W - і Z-бозони - це частинки-переносники слабкої взаємодії, як фотон є частинкою-переносником для електромагнітної взаємодії. W-бозон грає важливу роль в ядерному бета-розпад. Розглянемо для прикладу бета-розпад ізотопу кобальту Co 60, важливий процес, що відбувається під час вибуху наднових :

{} ^ {60} _ {27} \ hbox {Co} \ to {} ^ {60} _ {28} \ hbox {Ni} + \ hbox {e} ^ - + \ overline {\ nu} _e.

У цій реакції бере участь не всі ядро Co 60, а тільки один з його 33 нейтронів. Нейтрон перетворюється на протон, випускаючи електрон (званий тут бета-частинкою) і електронне антинейтрино :

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

Знову ж сам нейтрон є не елементарної, а складовою часткою, що складається з u-кварка і двох d-кварків (udd). Так що насправді в бета-розпаді бере участь один з d-кварків, який перетворюється в u-кварк, щоб сформувати протон (uud). Отже, на самому фундаментальному рівні слабка взаємодія просто змінює аромат одного кварка:

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

за яким негайно слід розпад самого W -:

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

Всі квантові числа Z-бозона рівні нулю, оскільки він є античастицей сам для себе (істинно нейтральною частинкою). Отже, обмін Z-бозоном між частинками, названий взаємодією нейтральних струмів, не змінює взаємодіючі частинки. На відміну від бета-розпаду спостереження взаємодій нейтральних струмів вимагають таких величезних грошових вкладень в прискорювачі елементарних частинок і детектори, що можливі тільки в декількох лабораторіях фізики високих енергій в світі.


3. Передбачення W - і Z-бозонів

Діаграма Фейнмана, що показує обмін парою W-бозонів. Це основна стадія процесу осциляції нейтральних каонов.

Слідом за вражаючими успіхами квантової електродинаміки в 1950 -х робилися спроби побудувати схожу теорію для слабкої взаємодії. Це вдалося зробити в 1968 р. з побудовою загальної теорії електромагнетизму і слабких взаємодій Шелдоном Глешоу, Стівеном Вайнбергом і Абдус Саламом, за яку вони спільно отримали Нобелівську премію з фізики 1979 [3]. Їх теорія електрослабкої взаємодії передбачила не тільки W-бозон, необхідний для пояснення бета-розпаду, але також новий Z-бозон, який до цього ніколи не спостерігався.

Той факт, що W - і Z-бозони мають масу, в той час як фотон маси не має, був головною перешкодою для розвитку теорії електрослабкої взаємодії. Ці частинки точно описуються калібрувальної симетрією SU (2), але бозони в калібрувальної теорії повинні бути безмасовими. Так, фотон є безмасові бозоном, оскільки електромагнетизм описується калібрувальної симетрією U (1). Необхідний певний механізм, який би порушував симетрію SU (2), в процесі надаючи масу W - і Z-бозонів. 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 відоме як модель Глешоу - Вайнберга - Салама. Зараз це один із стовпів Стандартної моделі фізики елементарних частинок. На 2011 єдине передбачення Стандартної моделі, яка експериментально не підтверджено, - це передбачення існування бозона Хіггса.


4. Експериментальне відкриття W - і Z-бозонів

Бульбашкова камера "Гаргамель", виставлена ​​в ЦЕРН

Відкриття W - і Z-бозонів - одна з найуспішніших сторінок історії ЦЕРНу. Спочатку, в 1973 р., проводилися спостереження взаємодій нейтральних струмів, передбачених теорією електрослабкої взаємодії. У величезній бульбашковій камері "Гаргамель", облучаемой пучком нейтрино від прискорювача, були сфотографовані треки декількох електронів, які раптово починали рухатися, здавалося б, самі по собі. 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, достатньо потужні, щоб створити їх. Першою такою машиною став Супер-протонний синхротрон (СПС), на якому були отримані недвозначні докази існування W-бозонів в серіях експериментів, виконаних Карло Руббіа і Симоном ван дер Меєром. Насправді ці експериментальні установки (і колаборації, що створили їх) називалися UA1 (під керівництвом Руббіа) і UA2. Як і більшість великих експериментів у фізиці високих енергій, вони були спільною працею багатьох людей. Ван дер Меєр був керівником групи, що управляє прискорювачем (винахідник концепції стохастичного охолодження, що зробила можливим відкриття W - і Z-бозонів). Частинки народжувалися в зіткненні зустрічних пучків протонів і антипротонів. Через кілька місяців після виявлення W-бозона (січень 1983) колаборації UA1 і UA2 відкрили Z-бозон (травень 1983 року). Руббіа і Ван дер Меєр були нагороджені Нобелівською премією з фізики 1984 [4] всього через півтора року після відкриття, що було незвичайним кроком з боку зазвичай консервативного Нобелівського фонду.


5. Канали розпаду бозонів

W-бозон [1] [5]
Канал розпаду Ймовірність
W ^ + \ rightarrow e ^ + + \ nu 10,75%
W ^ + \ rightarrow \ mu ^ + + \ nu 10,57%
W ^ + \ rightarrow \ tau ^ + + \ nu 11,25%
адрони 67,60%

Z-бозон з імовірністю 69,91% розпадається на адрони; ймовірність того, що він розпадеться на лептон і антілептон, складає 10,10% [2].


Примітки

  1. 1 2 K. Nakamura et al. (Particle Data Group), J. Phys. G 37, 075 021 (2010). Калібрувальні бозони, W-бозон. Доступно на pdglive.lbl.gov - pdglive.lbl.gov / Rsummary.brl? nodein = S043 & fsizein = 1 (Англ.)
  2. 1 2 K. Nakamura et al. (Particle Data Group), J. Phys. G 37, 075 021 (2010). Калібрувальні бозони, Z-бозон. Доступно на pdglive.lbl.gov - pdglive.lbl.gov / Rsummary.brl? nodein = S044 & fsizein = 1 (Англ.)
  3. The Nobel Prize in Physics 1979 - nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1979/index.html (Англ.)
  4. The Nobel Prize in Physics 1984 - nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1984 / (Англ.)
  5. Розпади відповідних античастинок виходять зарядовим сполученням наведених розпадів.

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru