Bozony W i Z

Bozony
W ^±
i
Z ⁰

Kompozycja	Cząstka elementarna
Statystyka	bozonowy
Rodzina	Bozon miernika
Interakcje	Słaba interakcja
Teoretyzować	Glashow , Weinberg , Salam (1968)
Odkryty	Współpraca UA1 i UA2 , CERN , 1983
Masa	W: 80,379 ± 0,012 GeV/ c 2 (2018) 80,433 ± 0,009 GeV/ c 2 (2022) Z: 91,1876 ± 0,0021 GeV/ c 2
Szerokość rozpadu	W: 2,085 ± 0,042 GeV Z: 2,4952 ± 0,0023 GeV
Ładunek elektryczny	W: ±1 e Z: 0 e
Kręcić się	1
Słaba izospina	W: ±1 Z: 0
Słabe hiperładowanie	0

W fizyce cząstek elementarnych bozony W i Z są bozonami wektorowymi , które razem są znane jako bozony słabe lub bardziej ogólnie jako pośrednie bozony wektorowe . Te cząstki elementarne pośredniczą w oddziaływaniu słabym ; odpowiednie symbole to
W ⁺
,
W ⁻
i
Z ⁰
. Bozony
W ^±
mają dodatni lub ujemny ładunek elektryczny o wartości 1 ładunku elementarnego i są swoimi antycząstkami . Bozon
Z ⁰
jest elektrycznie obojętny i jest swoją własną antycząstką . Każda z trzech cząstek ma spin równy 1. Bozony
W ^±
mają moment magnetyczny, ale bozon
Z ⁰
nie ma żadnego. Wszystkie trzy ^z 3 × 10-25 s tych cząstek są bardzo krótkotrwałe, z okresem półtrwania około . Ich odkrycie eksperymentalne było kluczowe w ustaleniu tego, co obecnie nazywa się Modelem Standardowym fizyki cząstek elementarnych .

Bozony
W
zostały nazwane na cześć oddziaływań słabych . Fizyk Steven Weinberg nazwał tę dodatkową cząstkę „ cząstką
Z
”, a później wyjaśnił, że była to ostatnia dodatkowa cząstka potrzebna modelowi . Bozony
W
zostały już nazwane, a bozony
Z
zostały nazwane ze względu na zerowy ładunek elektryczny.

Dwa bozony
W
są zweryfikowanymi mediatorami absorpcji i emisji neutrin . Podczas tych procesów ładunek bozonu
W ^±
indukuje emisję lub absorpcję elektronów lub pozytonów, powodując w ten sposób transmutację jądrową .

Bozon
Z
pośredniczy w przenoszeniu pędu, spinu i energii, gdy neutrina rozpraszają się elastycznie od materii (proces, który zachowuje ładunek). Takie zachowanie jest prawie tak powszechne, jak nieelastyczne oddziaływania neutrin i można je zaobserwować w komorach bąbelkowych po napromieniowaniu wiązkami neutrin. Z
_
bozon nie bierze udziału w absorpcji ani emisji elektronów ani pozytonów. Ilekroć elektron jest obserwowany jako nowa swobodna cząstka, nagle poruszająca się z energią kinetyczną, wnioskuje się, że jest to wynikiem interakcji neutrina z elektronem (z przeniesieniem pędu przez bozon Z), ponieważ takie zachowanie ma miejsce częściej, gdy neutrino wiązka jest obecna. W tym procesie neutrino po prostu uderza w elektron (poprzez wymianę bozonu), a następnie rozprasza się od niego, przenosząc część pędu neutrina na elektron.

Podstawowe właściwości

Te bozony należą do ciężkich cząstek elementarnych. Przy masach odpowiednio 80,4 GeV/ c ² i 91,2 GeV/ c ²
bozony W
i Z
są
prawie 80 razy masywniejsze od protonu , a nawet cięższe niż całe atomy żelaza .

Ich duże masy ograniczają zasięg oddziaływania słabego. Dla kontrastu, foton jest nośnikiem siły siły elektromagnetycznej i ma zerową masę, co jest zgodne z nieskończonym zakresem elektromagnetyzmu ; oczekuje się również, że hipotetyczny grawiton będzie miał zerową masę. (Chociaż gluony mają zerową masę, zakres siły koloru jest ograniczony z różnych powodów; patrz ograniczenie koloru ).

Wszystkie trzy bozony mają spin cząstki s = 1. Emisja bozonu
W ⁺
lub
W ⁻
albo obniża, albo podnosi ładunek elektryczny emitującej cząstki o jedną jednostkę, a także zmienia spin o jedną jednostkę. Jednocześnie emisja lub absorpcja bozonu
W ^±
może zmienić typ cząstki – na przykład zmienić kwark dziwny w kwark górny . Neutralny bozon Z nie może zmienić ładunku elektrycznego żadnej cząstki, ani żadnego innego z tak zwanych „ ładunków ”. (takich jak dziwność , liczba barionowa , urok itp.). Emisja lub absorpcja bozonu
Z ⁰
może zmienić jedynie spin, pęd i energię drugiej cząstki. (Zobacz także Słaby prąd neutralny ).

Relacje ze słabym oddziaływaniem jądrowym

Diagram Feynmana przedstawiający rozpad beta neutronu na proton, elektron i antyneutrino elektronowe przez pośredni bozon
W ^-

Bozony
W
i
Z
są cząstkami nośnikowymi, które pośredniczą w słabym oddziaływaniu jądrowym, podobnie jak foton jest cząstką nośnikową siły elektromagnetycznej.

bozony W

Bozony
W ^±
są najbardziej znane ze swojej roli w rozpadzie jądrowym . Rozważmy na przykład rozpad beta kobaltu -60 .

⁶⁰ ₂₇ Co
→
⁶⁰ ₂₈ Ni
⁺ +
mi ⁻
+
ν
_mi

Ta reakcja nie obejmuje całego jądra kobaltu-60 , ale dotyczy tylko jednego z jego 33 neutronów. Neutron jest przekształcany w proton, emitując jednocześnie elektron (zwany cząstką beta ) i antyneutrino elektronowe:

n ⁰
→
p ⁺
+
mi ^-
+
ν
_mi

Ponownie, neutron nie jest cząstką elementarną, ale złożeniem kwarka górnego i dwóch kwarków dolnych ( udd ). W rzeczywistości jest to jeden z kwarków dolnych, który oddziałuje w rozpadzie beta, zamieniając się w kwark górny, tworząc proton ( uud ). Zatem na najbardziej podstawowym poziomie oddziaływanie słabe zmienia smak pojedynczego kwarku:

re
→
u
+
W ^-

po którym natychmiast następuje rozpad samego
W ^-
:

W ⁻
→
mi ⁻
+
ν
_mi

bozony Z

Bozon
Z ⁰
jest swoją własną antycząstką . Zatem wszystkie jego liczby kwantowe i ładunki smakowe są zerowe. Wymiana
Z
między cząstkami, zwana oddziaływaniem prądu neutralnego , pozostawia zatem oddziałujące cząstki nienaruszone, z wyjątkiem przeniesienia spinu i/lub pędu . Oddziaływania bozonu
Z z udziałem
neutrin mają różne sygnatury: zapewniają jedyny znany mechanizm rozpraszania sprężystego neutrin w materii; neutrina są prawie tak samo podatne na rozpraszanie elastyczne (poprzez
Z
), jak i nieelastyczne (poprzez wymianę bozonu W). Słabe neutralne prądy poprzez
Z
zostały potwierdzone wkrótce potem (również w 1973 r.) W eksperymencie neutrinowym w komorze bąbelkowej Gargamelle w CERN .

bozonów W ⁺ , W ⁻ i Z ⁰

Diagram Feynmana przedstawiający wymianę pary bozonów
W.
Jest to jeden z wiodących terminów przyczyniających się do neutralnej oscylacji Kaonu .

Po sukcesie elektrodynamiki kwantowej w latach pięćdziesiątych XX wieku podjęto próby sformułowania podobnej teorii słabego oddziaływania jądrowego. Kulminacją tego było około 1968 r. ujednolicona teoria elektromagnetyzmu i słabych oddziaływań autorstwa Sheldona Glashowa , Stevena Weinberga i Abdusa Salama , za którą w 1979 r. otrzymali wspólnie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki . Ich teoria elektrosłaby postulowała nie tylko bozony
W
niezbędne do wyjaśnienia rozpadu beta, ale także nowy bozon
Z
, którego nigdy nie zaobserwowano.

Fakt, że bozony
W
i
Z
mają masę, podczas gdy fotony są bezmasowe, był główną przeszkodą w rozwoju teorii elektrosłabej. Cząstki te są dokładnie opisane przez teorię cechowania SU(2) , ale bozony w teorii cechowania muszą być bezmasowe. Jako przykład, foton jest bezmasowy, ponieważ elektromagnetyzm jest opisany przez teorię cechowania U(1) . Do złamania symetrii SU(2) potrzebny jest jakiś mechanizm, dający masę
W
i
Z
w procesie. Mechanizm Higgsa , wysunięte po raz pierwszy w PRL-owskich biuletynach łamiących symetrię z 1964 r ., spełnia tę rolę. Wymaga istnienia innej cząstki, bozonu Higgsa , który od tego czasu został znaleziony w Wielkim Zderzaczu Hadronów . Z czterech składowych bozonu Goldstone'a utworzonych
Z ⁰
przez pole Higgsa, trzy są absorbowane przez bozony
W ⁺
, i
W ^-
tworząc ich składowe podłużne, a pozostała część pojawia się jako bozon Higgsa o ​​spinie 0.

Połączenie teorii cechowania SU (2) oddziaływań słabych, oddziaływań elektromagnetycznych i mechanizmu Higgsa jest znane jako model Glashowa – Weinberga – Salama . Dziś jest powszechnie akceptowany jako jeden z filarów Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych, zwłaszcza biorąc pod uwagę odkrycie bozonu Higgsa w 2012 roku przez eksperymenty CMS i ATLAS .

Model przewiduje, że bozony
W ^±
i
Z ⁰
mają następujące masy:

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} m _ {{\ tekst {W}} ^ {\ pm}} & = {\ tfrac { 1}{2}}vg\\m_{{\text{Z}}^{0}}&={\tfrac {1}{2}}v{\sqrt {g^{2}+{g'} ^{2}}}\end{wyrównane}}}$

gdzie jest sprzężeniem $miernika$$oczekiwaną$ 2) , jest sprzężeniem $miernika$ U (1) i jest Higgsa .

Odkrycie

Komora bąbelkowa Gargamelle , obecnie wystawiana w CERN

W przeciwieństwie do rozpadu beta, obserwacja oddziaływań prądów neutralnych z udziałem cząstek innych niż neutrina wymaga ogromnych inwestycji w akceleratory i detektory cząstek , jakie są dostępne tylko w kilku laboratoriach fizyki wysokich energii na świecie (i to dopiero po 1983 r.). Dzieje się tak, ponieważ
Z
zachowują się w podobny sposób jak fotony, ale nie stają się ważne, dopóki energia oddziaływania nie jest porównywalna ze stosunkowo dużą masą bozonu
Z.

Odkrycie bozonów
W
i
Z
uznano za wielki sukces CERN-u. Najpierw, w 1973 roku, nastąpiła obserwacja oddziaływań prądu neutralnego, zgodnie z przewidywaniami teorii elektrosłabej. Ogromna komora bąbelkowa Gargamelle'a sfotografowała ślady kilku elektronów, które nagle zaczęły się poruszać, pozornie z własnej woli. Jest to interpretowane jako interakcja neutrina z elektronem poprzez wymianę niewidocznego bozonu
Z.
Neutrino jest poza tym niewykrywalne, więc jedynym obserwowalnym efektem jest pęd nadany elektronowi w wyniku interakcji.

Odkrycie samych bozonów
W
i
Z
musiało poczekać na zbudowanie akceleratora cząstek o mocy wystarczającej do ich wytworzenia. Pierwszą tego typu maszyną, która stała się dostępna, był Super Synchrotron Protonowy , w którym w styczniu 1983 roku zaobserwowano jednoznaczne sygnały bozonów W podczas serii eksperymentów, które umożliwili Carlo Rubbia i Simon van der Meer . Właściwe eksperymenty nazwano UA1 (prowadzony przez Rubbia) i UA2 (prowadzony przez Pierre'a Darriulata ) i były wspólnym wysiłkiem wielu osób. Van der Meer był siłą napędową po stronie akceleratora ( chłodzenie stochastyczne ). UA1 i UA2 odkryły
Z
kilka miesięcy później, w maju 1983 roku. Rubbia i van der Meer szybko otrzymali w 1984 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, co było najbardziej niezwykłym krokiem konserwatywnej Fundacji Nobla .

Bozony
W ⁺
,
W ⁻
cechowania i
Z ⁰
wraz z fotonem (
γ
) składają się na cztery bozony oddziaływania elektrosłabego .

2022 nieoczekiwany pomiar masy bozonu W

Zobacz także: Fizyka poza modelem standardowym § Wyniki eksperymentów nie zostały wyjaśnione

Przed 2022 rokiem pomiary masy bozonu W wydawały się zgodne z Modelem Standardowym. Na przykład w 2021 roku oszacowano, że eksperymentalne pomiary masy bozonu W osiągnęły zbieżność około 80 379 ± 12 MeV.

Jednak w kwietniu 2022 r. Nowa analiza danych uzyskanych przez zderzacz Fermilab Tevatron przed jego zamknięciem w 2011 r. Określiła masę bozonu W na 80 433 ± 9 MeV, czyli siedem odchyleń standardowych powyżej przewidywanej przez model standardowy , co oznacza, że ​​jeśli model jest poprawny, powinna istnieć tylko jedna bilionowa szansa na powstanie tak dużej masy w wyniku niesystematycznego błędu obserwacyjnego . Według Ashutosha Kotwala z Duke University i liderem Collider Detector we współpracy Fermilab, zastosowana jasność dolnej wiązki zmniejszyła prawdopodobieństwo, że interesujące zdarzenia zostaną przesłonięte przez inne zderzenia, a użycie zderzeń proton-antyproton upraszcza proces anihilacji kwarków i antykwarków, które następnie rozpadły się dać lepton i neutrino . Zespół celowo zaszyfrował swoje dane i zataił przed sobą wszelkie wstępne wyniki do czasu zakończenia analizy, aby zapobiec „błędowi potwierdzenia” naginającemu ich interpretację danych. Kowal opisał to jako „największe pęknięcie w tej pięknej teorii”, spekulując, że może to być „pierwszy wyraźny dowód” na istnienie innych sił lub cząstek nieuwzględnionych w Modelu Standardowym, a które mogą być wyjaśnione przez teorie takie jak supersymetria . Laureat Nagrody Nobla, fizyk teoretyczny, Frank Wilczek, opisał wynik jako „monumentalne dzieło”.

Oprócz tego, że jest niezgodny z Modelem Standardowym, nowy pomiar jest również niespójny z poprzednimi pomiarami, takimi jak ATLAS. Sugeruje to, że stare lub nowe pomiary, pomimo wszelkich środków ostrożności, mają nieoczekiwany błąd systematyczny, taki jak niewykryta dziwaczność sprzętu. Przyszłe eksperymenty z LHC mogą pomóc określić, który zestaw pomiarów, jeśli któryś z nich, jest prawidłowy. Zastępca dyrektora Fermilab, Joseph Lykken, powtórzył, że „... (nowy) pomiar musi zostać potwierdzony przez inny eksperyment, zanim będzie można go w pełni zinterpretować”. Matthias Schott z Uniwersytetu w Moguncji , skomentował, że „Nie sądzę, abyśmy musieli dyskutować, która nowa fizyka mogłaby wyjaśnić rozbieżność między CDF [Collider Detector at Fermilab] a Modelem Standardowym – najpierw musimy zrozumieć, dlaczego pomiar CDF jest w dużym napięciu ze wszystkimi [innymi pomiarami ]".

Rozkład

Bozony
W
i
Z
rozpadają się na pary fermionów , ale ani bozony
W
, ani
Z
nie mają wystarczającej energii, aby rozpaść się na kwark topowy o największej masie . Pomijając efekty przestrzeni fazowej i poprawki wyższego rzędu, proste oszacowania ich ułamków rozgałęzionych można obliczyć ze stałych sprzężenia .

bozony W

Bozony
W
mogą rozpaść się na lepton i antylepton (jeden naładowany, a drugi neutralny) lub na kwark i antykwark typów komplementarnych (o przeciwnych ładunkach elektrycznych ± + 1 ⁄ 3 i ∓ + 2 ⁄ 3 ). Szerokość rozpadu bozonu W na parę kwark-antykwark jest proporcjonalna do odpowiedniego kwadratu elementu macierzy CKM i liczby kolorów kwarków , N _C = 3 . Szerokości rozpadu dla bozonu W ⁺ są wtedy proporcjonalne do:

Leptony		kwarki
e + v e	1	ty d	3 ${\ Displaystyle | V _ {\ tekst {ud}} | ^ {2}}$	ty s	3 ${\ Displaystyle | V_ {\ tekst {nas}} | ^ {2}}$	ty b	3 ${\ Displaystyle | V_ {\ tekst {ub}} | ^ {2}}$
μ + v μ	1	c d	3 ${\ Displaystyle | V _ {\ tekst {cd}} | ^ {2}}$	c s	3 ${\ Displaystyle | V _ {\ tekst {cs}} | ^ {2}}$	c b	3 ${\ Displaystyle | V _ {\ tekst {cb}} | ^ {2}}$
τ + ν τ	1	Zachowanie energii zabrania rozpadu do t .

Tutaj
e ⁺
,
μ ⁺
,
τ ⁺
oznaczają trzy rodzaje leptonów (a dokładniej dodatnio naładowane antyleptony ).
ν
_e ,
ν
_μ ,
ν
_τ oznaczają trzy zapachy neutrin. Pozostałe cząstki, począwszy od
u
i
d
, wszystkie oznaczają kwarki i antykwarki ( stosowany jest współczynnik N _{C ).} Różne ${\ displaystyle \, V_ {ij} \,}$ oznaczają odpowiednie współczynniki macierzy CKM .

Unitarność macierzy CKM implikuje, że ${\ Displaystyle ~ | V _ {\ tekst {ud}} | ^ {2} + | V _ {\ tekst {nas}} | ^ {2} + | V _ {\ tekst {ub}} | ^ {2} ~=~}$${\ Displaystyle ~ | V_ {\ tekst {CD}} | ^ {2} + | V_ {\ tekst {cs}} | ^ {2} + | V_ {\ tekst {cb}} | ^ {2} = 1 ~,}$ zatem każdy z dwóch rzędów kwarków sumuje się do 3. Dlatego leptonowe stosunki rozgałęzień bozonu W wynoszą w przybliżeniu ${\ Displaystyle \, B (\ operatorname {e} ^ {+} \ operatorname {\ nu} _ {\ operatorname {e}}) = \,}$${\ Displaystyle \, B (\ operatorname {\ mu} ^ {+} \ operatorname {\ nu} _ {\mathrm {\mu}})=\,}$ $współczynnik rozgałęzień$ jest Displaystyle \, B (\ operatorname {\ tau} ^ {+} \ operatorname {\ nu} _ {\ operatorname {\ tau}}) = \,} 1/9 Hadronowy zdominowany przez preferowane przez CKM stany końcowe
u

d
i
c

s .
Suma współczynników rozgałęzień hadronowych została zmierzona eksperymentalnie na 67,60 ± 0,27% , gdzie ${\ Displaystyle \, B (\ ell ^ {+} \ operatorname {\ nu} _ {\ ell })=\,}$ 10,80 ± 0,09% .

bozon Z ⁰

Zobacz też: Słaby ładunek

Bozony
Z
rozpadają się na fermion i jego antycząstkę. Ponieważ
Z ⁰
jest mieszaniną bozonów
W ⁰
i
B ⁰
łamiących presymetrię (patrz słaby kąt mieszania ), każdy czynnik wierzchołka zawiera czynnik ${\ mathsf {W}} ~,}$${\ Displaystyle ~ T_ {3} -Q \ sin ^ {2} \, \$$gdzie$ jest trzecią składową słabego izospinu fermionu („ładunek” siły słabej) $to$ ładunek elektryczny fermionu (w jednostkach ładunku elementarnego ) θ $\ Displaystyle \; \ theta _{\mathsf {w}}\;}$ to słaby kąt mieszania . Ponieważ słaba izospina $inna$ dla fermionów o różnej , zarówno , jak i prawoskrętnych , sprzężenie również jest inne

Względne siły każdego sprzężenia można oszacować, biorąc pod uwagę, że szybkości zaniku obejmują kwadrat tych czynników i wszystkie możliwe diagramy (np. sumę po rodzinach kwarków oraz udziały lewej i prawej strony). Wyniki przedstawione w poniższej tabeli są tylko szacunkami, ponieważ w teorii Fermiego obejmują tylko diagramy interakcji na poziomie drzewa .

Cząsteczki		Słaby izospin ${\ Displaystyle (\, T_ {3} \,)}$		Czynnik względny	Stosunek rozgałęzień
Nazwa	Symbolika	LEWY	PRAWIDŁOWY		Przewidywano dla x = 0,23	Pomiary eksperymentalne
Neutrina (wszystkie)	ν e , ν μ , ν τ	1 / 2	0	${\ Displaystyle \, 3 ({\ tfrac {1} {2}}) ^ {2} \,}$	20,5%	20,00 ± 0,06%
Naładowane leptony (wszystkie)	mi - , μ - , τ -			${\ Displaystyle \, 3 (- {\ tfrac {1} {2}} + x) ^ {2} + 3x ^ {2} \,}$	10,2%	10,097 ± 0,003%
Elektron	e- _	${\ Displaystyle \, - {\ tfrac {1} {2}} + x \,}$	X	${\ Displaystyle \, (- {\ tfrac {1} {2}} + x) ^ {2} + x ^ {2} \,}$	3,4%	3,363 ± 0,004%
mion	μ- _	− 1 / 2 + x	X	(− 1 / 2 + x ) 2 + x 2	3,4%	3,366 ± 0,007%
Tau	τ- _	− 1 / 2 + x	X	(− 1 / 2 + x ) 2 + x 2	3,4%	3,367 ± 0,008%
Hadrony					69,2%	69,91 ± 0,06%
Kwarki typu dolnego	re , s , b	− 1 / 2 + 1 / 3 x	1 / 3 x	3 (− 1 / 2 + 1 / 3 x ) 2 + 3 ( 1 / 3 x ) 2	15,2%	15,6 ± 0,4%
Kwarki typu górnego ( * z wyjątkiem t )	ty , c	1 / 2 − 2 / 3 x	− 2 / 3x _	3 ( 1 / 2 − 2 / 3 x ) 2 + 3 (− 2 / 3 x ) 2	11,8%	11,6 ± 0,6%

Aby notacja była zwięzła, w tabeli użyto ${\ Displaystyle ~ x = \ sin ^ {2} \, \ theta _ {\ text {W}} ~.}$

* Niemożliwy rozpad na parę górny kwark - antykwark został pominięty w tabeli.

Podtytuły LEWO i PRAWO oznaczają chiralność lub „ręczność” fermionów.

W 2018 roku w ramach współpracy CMS zaobserwowano pierwszy wyłączny rozpad bozonu Z na mezon ψ i parę lepton -antylepton.

Zobacz też

• Statystyka Bosego-Einsteina - Opis zachowania bozonów
• Lista cząstek
• Matematyczne sformułowanie Modelu Standardowego – Matematyka modelu fizyki cząstek elementarnych
• Słaby ładunek
• Bozony W′ i Z′ – Hipotetyczne cząstki w fizyce
• Bozony X i Y - naładowane masywne bozony cechowania w wielkim zunifikowanym modelu SU (5) Georgi-Glashow pośredniczącym w rozpadzie protonu, wypełniając sprzężoną reprezentację SU (5) wraz z gluonem, fotonem i bozonami W i Z Wyświetlane strony opisy wikidanych jako rozwiązanie awaryjne : analogiczna para bozonów przewidziana przez Teorię Wielkiej Unifikacji
• ZZ dibozon

Linki zewnętrzne

• Media związane z bozonami W i Z w Wikimedia Commons
• The Review of Particle Physics , ostateczne źródło informacji o właściwościach cząstek.
• Cząstki W i Z: osobiste wspomnienie Pierre'a Darriulata
• Kiedy CERN zobaczył koniec alfabetu autorstwa Daniela Denegriego
• Cząstki W i Z w Hyperphysics