W и Z-бозоны

В ^±
и
С ⁰
Бозоны

Состав	Элементарная частица
Статистика	бозонный
Семья	Калибровочный бозон
Взаимодействия	Слабое взаимодействие
Теоретический	Глэшоу , Вайнберг , Салам (1968)
Обнаруженный	UA1 и UA2 Сотрудничество , ЦЕРН , 1983 г.
Масса	W: 80,377 ± 0,012 ГэВ/ c 2 (2022) Z: 91,1876 ± 0,0021 ГэВ/ c 2
Ширина затухания	W: 2,085 ± 0,042 ГэВ Z: 2,4952 ± 0,0023 ГэВ
Электрический заряд	Вт: ±1 е З: 0 е
Вращаться	1 час
Слабый изоспин	Вт: ±1 З: 0
Слабый гиперзаряд	0

В физике элементарных частиц W- и Z-бозоны представляют собой векторные бозоны , которые вместе известны как слабые бозоны или, в более общем плане, как промежуточные векторные бозоны . Эти элементарные частицы опосредуют слабое взаимодействие ; соответствующие символы
В ⁺
,
В ⁻
, и
С ⁰
.
В ^±
Бозоны имеют положительный или отрицательный электрический заряд в 1 элементарный заряд друг друга и являются античастицами .
С ⁰
бозон электрически нейтрален и является собственной античастицей. Каждая из трёх частиц имеет спин , равный 1.
В ^±
бозоны обладают магнитным моментом, но
С ⁰
не имеет ни одного. Все три эти частицы очень недолговечны, с периодом полураспада около 3 × 10 ⁻²⁵ с . Их экспериментальное открытие сыграло решающую роль в создании того, что сейчас называется Стандартной моделью физики элементарных частиц .

The
В
бозоны названы в честь слабого взаимодействия. Физик назвал Стивен Вайнберг дополнительную частицу «
С
частица", а позже объяснил, что это была последняя дополнительная частица, необходимая модели.
В
бозоны уже были названы, и
С
Бозоны получили свое название из- за отсутствия электрического заряда.

два
В
бозоны являются проверенными медиаторами нейтрино поглощения и испускания . В ходе этих процессов
В ^±
Заряд бозона вызывает эмиссию или поглощение электронов или позитронов, вызывая тем самым ядерную трансмутацию .

The
С
бозон обеспечивает передачу импульса, спина и энергии при упругом рассеянии нейтрино от материи (процесс, сохраняющий заряд). Такое поведение почти так же распространено, как неупругое взаимодействие нейтрино, и может наблюдаться в пузырьковых камерах при облучении пучками нейтрино.
С
бозон не участвует в поглощении или испускании электронов или позитронов. Всякий раз, когда электрон наблюдается как новая свободная частица, внезапно движущаяся с кинетической энергией, предполагается, что это результат взаимодействия нейтрино с электроном (с передачей импульса через Z-бозон), поскольку такое поведение происходит чаще, когда нейтрино луч присутствует. В этом процессе нейтрино просто сталкивается с электроном (путем обмена бозоном), а затем рассеивается от него, передавая часть импульса нейтрино электрону.

Основные свойства

Эти бозоны относятся к числу тяжеловесов элементарных частиц. С массой 80,4 ГэВ/ c ² и 91,2 ГэВ/ c ² , соответственно,
В
и
С
бозоны почти в 80 раз массивнее протона – даже тяжелее целых железа атомов .

Их большие массы ограничивают диапазон слабого взаимодействия. Напротив, фотон является носителем электромагнитной силы и имеет нулевую массу, что соответствует бесконечному диапазону электромагнетизма ; гипотетический гравитон Ожидается, что также будет иметь нулевую массу. (Хотя предполагается, что глюоны также имеют нулевую массу, диапазон действия сильного ядерного взаимодействия ограничен по разным причинам; см. «Цветовое ограничение ».)

Все три бозона имеют спин частицы s = 1. Испускание
В ⁺
или
В ⁻
бозон либо понижает, либо увеличивает электрический заряд излучающей частицы на одну единицу, а также изменяет спин на одну единицу. В то же время выделение или поглощение
В ^±
бозон может изменить тип частицы – например, превратить странный кварк в ап-кварк . Нейтральный Z-бозон не может изменить электрический заряд какой-либо частицы, равно как и любой другой из так называемых « зарядов » (таких как странность , барионное число , очарование и т. д.). Выделение или поглощение
С ⁰
бозон может изменить только спин, импульс и энергию другой частицы. (См. также Слабый нейтральный ток .)

Отношения со слабым ядерным взаимодействием

Диаграмма Фейнмана бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино через промежуточное соединение.
В ⁻
бозон

The
В
и
С
Бозоны — это частицы-носители, которые передают слабое ядерное взаимодействие, так же как фотон является частицей-носителем электромагнитного взаимодействия.

W-бозоны

The
В ^±
бозоны наиболее известны своей ролью в ядерном распаде . Рассмотрим, например, бета-распад кобальта -60 .

⁶⁰
₂₇ Ко
→ ⁶⁰
₂₈ Ни
⁺ +
и ⁻
+
н
_и

В этой реакции не участвует все ядро ​​кобальта-60 , а затрагивается только один из 33 его нейтронов. Нейтрон превращается в протон, одновременно испуская электрон (часто называемый в этом контексте бета-частицей ) и электронное антинейтрино:

н ⁰
→
п ⁺
+
и ⁻
+
н
_и

Опять же, нейтрон — это не элементарная частица, а смесь верхнего и двух нижних кварков (
в

д

д
). Это один из нижних кварков, который взаимодействует при бета-распаде, превращаясь в верхний кварк с образованием протона (
в

в

д
). Таким образом, на самом фундаментальном уровне слабое взаимодействие меняет аромат отдельного кварка:

д
→
в
+
В ⁻

за которым сразу же следует распад
В ⁻
сам:

В ⁻
→
и ⁻
+
н
_и

Z-бозоны

The
С ⁰
бозон — это собственная античастица . Таким образом, все его ароматные квантовые числа и заряды равны нулю. Обмен
С
бозон между частицами, называемое взаимодействием нейтрального тока , поэтому оставляет взаимодействующие частицы незатронутыми, за исключением передачи спина и/или импульса .

С
Бозонные взаимодействия с участием нейтрино имеют четкие признаки: они обеспечивают единственный известный механизм упругого рассеяния нейтрино в веществе; нейтрино почти с такой же вероятностью рассеиваются упруго (через
С
обмен бозоном), так и неупруго (через обмен W-бозоном). Слабые нейтральные токи через
С
бозонный обмен был подтвержден вскоре после этого (также в 1973 году) в нейтринном эксперименте в Гаргамеля пузырьковой камере в ЦЕРНе .

Прогнозы W ⁺ , В ⁻ и З ⁰ бозоны

Диаграмма Фейнмана, показывающая обмен пары
В
бозоны. Это один из главных членов, способствующих нейтральным колебаниям Каона .

После успеха квантовой электродинамики в 1950-х годах были предприняты попытки сформулировать аналогичную теорию слабого ядерного взаимодействия. в 1968 году единой теории электромагнетизма и слабых взаимодействий Кульминацией этого процесса стала разработка Шелдоном Глэшоу , Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом , за которую они получили в 1979 году Нобелевскую премию по физике . Их электрослабая теория постулировала не только
В
бозоны, необходимые для объяснения бета-распада, но и новый
С
бозон, который никогда не наблюдался.

Тот факт, что
В
и
С
бозоны имеют массу, а фотоны безмассовые, что было основным препятствием в разработке электрослабой теории. Эти частицы точно описываются SU(2) калибровочной теорией , но бозоны в калибровочной теории должны быть безмассовыми. Например, фотон безмассовый, поскольку электромагнетизм описывается калибровочной теорией U(1) . Требуется какой-то механизм, чтобы нарушить симметрию SU(2), придав массу
В
и
С
в процессе. Эту роль выполняет механизм Хиггса , впервые предложенный в 1964 году в статьях о нарушении симметрии PRL . Для этого необходимо существование еще одной частицы, бозона Хиггса , который с тех пор был обнаружен на Большом адронном коллайдере . Из четырех компонентов бозона Голдстоуна, созданного полем Хиггса, три поглощаются
В ⁺
,
С ⁰
, и
В ⁻
бозоны образуют свои продольные компоненты, а остаток появляется как бозон Хиггса со спином 0.

Комбинация SU(2)-калибровочной теории слабого взаимодействия, электромагнитного взаимодействия и механизма Хиггса известна как модель Глэшоу-Вайнберга-Салама . Сегодня он широко признан одним из столпов Стандартной модели физики элементарных частиц, особенно с учетом открытия в 2012 году бозона Хиггса в экспериментах CMS и ATLAS .

Модель предсказывает, что
В ^±
и
С ⁰
бозоны имеют следующие массы:

${\begin{aligned}m_{{\text{W}}^{\pm }}&={\tfrac {1}{2}}vg\\m_{{\text{Z}}^{0}}&={\tfrac {1}{2}}v{\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}}}\end{aligned}}$

где $g$ – калибровочная связь SU(2), $g'$ – калибровочная связь U(1), а $v$ Хиггса — математическое ожидание вакуума .

Открытие

Гаргамеля , Пузырьковая камера сейчас выставленная в ЦЕРНе

В отличие от бета-распада, наблюдение взаимодействий нейтрального тока, в которых участвуют частицы, отличные от нейтрино, требует огромных инвестиций в ускорители частиц и детекторы частиц , такие как доступны лишь в нескольких лабораториях физики высоких энергий в мире (и то только после 1983 года). Это потому, что
С
бозоны ведут себя примерно так же, как фотоны, но не становятся важными до тех пор, пока энергия взаимодействия не станет сравнимой с относительно огромной массой бозона.
С
бозон.

Открытие
В
и
С
бозонов считалось большим успехом ЦЕРН. Сначала, в 1973 году, было обнаружено взаимодействие нейтральных токов, предсказанное электрослабой теорией. Огромная пузырьковая камера Гаргамеля фотографировала треки, возникающие в результате взаимодействия нейтрино, и наблюдала события, в которых нейтрино взаимодействовало, но не производило соответствующий лептон. Это признак взаимодействия нейтрального тока, который интерпретируется как обмен нейтрино невидимым
С
бозон с протоном или нейтроном в пузырьковой камере. В противном случае нейтрино невозможно обнаружить, поэтому единственным наблюдаемым эффектом является импульс, сообщаемый протону или нейтрону в результате взаимодействия.

Открытие
В
и
С
самим бозонам пришлось ждать, пока будет построен ускоритель частиц, достаточно мощный для их производства. Первой такой машиной, ставшей доступной, стал Суперпротонный синхротрон , в котором однозначные сигналы
В
Бозоны были замечены в январе 1983 года в ходе серии экспериментов, ставших возможными благодаря Карло Руббиа и Симону ван дер Мееру . Фактические эксперименты назывались UA1 (под руководством Руббиа) и UA2 (под руководством Пьера Дарриула ). и были совместными усилиями многих людей. Ван дер Меер был движущей силой на стороне ускорителя ( стохастическое охлаждение ). UA1 и UA2 нашли
С
бозон несколько месяцев спустя, в мае 1983 года. Руббиа и ван дер Меер были незамедлительно удостоены Нобелевской премии по физике 1984 года, что стало самым необычным шагом для консервативного Нобелевского фонда .

The
В ⁺
,
В ⁻
, и
С ⁰
бозоны вместе с фотоном (
с
), содержат четыре калибровочных бозона электрослабого взаимодействия .

Неожиданное измерение массы W-бозона в 2022 году

См. Также: Физика за пределами Стандартной модели § Экспериментальные результаты не объяснены.

До 2022 года измерения массы W-бозона, казалось, соответствовали Стандартной модели. Например, в 2021 году экспериментальные измерения массы W-бозона, по оценкам, сошлись в районе 80 379 ± 12 МэВ .

Однако в апреле 2022 года новый анализ данных, полученных на коллайдере Фермилаб Тэватрон перед его закрытием в 2011 году, определил массу W-бозона равной 80 433 ± 9 МэВ , что на семь стандартных отклонений выше предсказанного Стандартом. Модель, что означает, что если модель верна , должна быть только одна триллионная вероятность того, что такая большая масса возникнет из-за несистематической ошибки наблюдения . По словам Ашутоша Котвала из Университета Дьюка и руководителя программы «Коллайдер-детектор» в коллаборации Фермилаб, используемая светимость нижнего луча снижает вероятность того, что интересующие события будут скрыты другими столкновениями, а использование протон-антипротонных столкновений упрощает процесс образования кварков. – аннигиляция антикварка, который затем распался на лептон и нейтрино . Команда намеренно зашифровала свои данные и скрыла от себя любые предварительные результаты до завершения анализа, чтобы предотвратить «предвзятость подтверждения», искажающую их интерпретацию данных. Котвал описал это как «самую большую трещину в этой прекрасной теории», предположив, что это может быть «первым явным свидетельством» других сил или частиц, не учтенных Стандартной моделью и которые могут быть объяснены такими теориями, как суперсимметрия . Лауреат Нобелевской премии по физике-теоретику Франк Вильчек назвал этот результат «монументальной работой».

Помимо того, что новое измерение несовместимо со Стандартной моделью, оно также несовместимо с предыдущими измерениями, такими как ATLAS. Это говорит о том, что либо старые, либо новые измерения, несмотря на все меры предосторожности, имеют неожиданную систематическую ошибку, например, необнаруженную особенность оборудования. Будущие эксперименты с БАК могут помочь определить, какой набор измерений является правильным. Заместитель директора Fermilab Джозеф Ликкен повторил, что «... (новое) измерение должно быть подтверждено другим экспериментом, прежде чем его можно будет полностью интерпретировать». Маттиас Шотт из Университета Майнца прокомментировал: «Я не думаю, что нам нужно обсуждать, какая новая физика могла бы объяснить несоответствие между CDF [детектором коллайдеров в Фермилабе] и Стандартной моделью – мы сначала должны понять, почему измерение CDF является в сильном напряжении со всеми [другими измерениями]».

В 2023 году эксперимент ATLAS опубликовал улучшенное измерение массы W-бозона, 80 360 ± 16 МэВ , которое совпало с предсказаниями Стандартной модели. Комбинация всех измерений массы W-бозона, исключая измерение по CDF, дает значение (80369,2 ± 13,3) МэВ/с², которое отклоняется от измерения CDF со значимостью 3,6σ.

Разлагаться

The
В
и
С
бозоны распадаются на фермионные пары, но ни
В
ни
С
с наибольшей массой Бозоны обладают достаточной энергией, чтобы распасться на топ-кварк . Пренебрегая эффектами фазового пространства и поправками более высокого порядка, простые оценки их долей ветвления можно рассчитать на основе констант связи .

W-бозоны

В
бозоны могут распадаться на лептон и антилептон (один из них заряжен, другой нейтральен) или кварку и антикварку дополнительных типов (с противоположными электрическими зарядами ⁠ + 1/3 ​ ⁠ и ± ⁠∓ + 2/3 ⁠ ​ ) . Ширина распада W-бозона на пару кварк-антикварк пропорциональна соответствующему квадрату матричного элемента CKM числу цветов кварков NC _и = 3 . Ширина затухания W ⁺ бозона тогда пропорциональны:

Лептоны		Кварки
и + н и	1	в д	3 $|V_{\text{ud}}|^{2}$	в с	3 $|V_{\text{us}}|^{2}$	в б	3 $|V_{\text{ub}}|^{2}$
м + н м	1	с д	3 $|V_{\text{cd}}|^{2}$	с с	3 $|V_{\text{cs}}|^{2}$	с б	3 $|V_{\text{cb}}|^{2}$
т + н т	1	Сохранение энергии предотвращает распад до т .

Здесь,
и ⁺
,
м ⁺
,
т ⁺
обозначают три аромата лептонов (точнее, положительно заряженные антилептоны ).
н
_и ,
н
_м ,
н
_τ обозначают три сорта нейтрино. Остальные частицы, начиная с
в
и
д
, все обозначают и антикварки ( . _кварки применяется коэффициент NC) Различные $\,V_{ij}\,$ обозначают соответствующие коэффициенты матрицы СКМ .

Унитарность матрицы CKM означает, что $~|V_{\text{ud}}|^{2}+|V_{\text{us}}|^{2}+|V_{\text{ub}}|^{2}~=$$~|V_{\text{cd}}|^{2}+|V_{\text{cs}}|^{2}+|V_{\text{cb}}|^{2}=1~,$ таким образом, сумма каждой из двух строк кварков равна 3. Следовательно, лептонного ветвления коэффициенты
В
бозоны примерно $\,B(\mathrm {e} ^{+}\mathrm {\nu } _{\mathrm {e} })=\,$$\,B(\mathrm {\mu } ^{+}\mathrm {\nu } _{\mathrm {\mu } })=\,$$\,B(\mathrm {\tau } ^{+}\mathrm {\nu } _{\mathrm {\tau } })=\,$ ⁠ 1/9 ​ ⁠ ​ . В коэффициенте адронного ветвления преобладает коэффициент, благоприятствующий CKM.
в

д
и
с

с
конечные состояния. сумма коэффициентов ветвления адронов Экспериментально измеренная составила 67,60 ± 0,27% , при этом $\,B(\ell ^{+}\mathrm {\nu } _{\ell })=\,$ 10.80 ± 0.09% .

С ⁰ бозон

См. также: Слабый заряд

С
бозоны распадаются на фермион и его античастицу. Как
С ⁰
бозон представляет собой смесь нарушающих предсимметрию
В ⁰
и
Б ⁰
бозонов (см. угол слабого смешивания ), каждый вершинный фактор включает в себя фактор $~T_{3}-Q\sin ^{2}\,\theta _{\mathsf {W}}~,$ где $\,T_{3}\,$ - третья компонента слабого изоспина фермиона («заряд» слабого взаимодействия), $\,Q\,$ – электрический заряд фермиона (в единицах элементарного заряда ), а $\;\theta _{\mathsf {w}}\;$ – угол слабого смешивания . Поскольку слабый изоспин $(\,T_{3}\,)$ различна для фермионов разной киральности , как левой, так и правой , связь также различна.

Относительную силу каждой связи можно оценить , учитывая, что скорости распада включают квадрат этих факторов и все возможные диаграммы (например, сумму по семействам кварков, а также левый и правый вклады). Результаты, представленные в таблице ниже, являются лишь оценками, поскольку они включают только диаграммы взаимодействия на уровне дерева в теории Ферми .

Частицы		Слабый изоспин $(\,T_{3}\,)$		Относительный фактор	Коэффициент разветвления
Имя	Символы	ЛЕВЫЙ	ВЕРНО		Прогнозируется для x = 0,23	Экспериментальные измерения
Нейтрино (все)	н и , н м , н т	⁠ 1 / 2 ⁠	0	3 ( ⁠ 1 / 2 ⁠ ) 2	20.5%	20.00 ± 0.06%
Заряженные лептоны (все)	и − , м − , т −			3 (− ⁠ 1 / 2 ⁠ + х ) 2 + 3x 2	10.2%	10.097 ± 0.003%
Электрон	и −	− ⁠ 1/2 ​ ⁠ ​ + х	х	(− ⁠ 1 / 2 ⁠ + х ) 2 + х 2	3.4%	3.363 ± 0.004%
Мюон	м −	− ⁠ 1/2 ​ ⁠ ​ + х	х	(− ⁠ 1 / 2 ⁠ + х ) 2 + х 2	3.4%	3.366 ± 0.007%
Да	т −	− ⁠ 1/2 ​ ⁠ ​ + х	х	(− ⁠ 1 / 2 ⁠ + х ) 2 + х 2	3.4%	3.367 ± 0.008%
Адроны					69.2%	69.91 ± 0.06%
Кварки нижнего типа	д , с , б	− ⁠ 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%
Кварки Up-типа ( * кроме т )	в , с	⁠ 1 / 2 ⁠ − ⁠ 2 / 3 ⁠ x	− ⁠ 2 / 3 ⁠ x	3 ( ⁠ 1 / 2 ⁠ − ⁠ 2 / 3 ⁠ x ) 2 + 3 (− ⁠ 2 / 3 ⁠ x ) 2	11.8%	11.6 ± 0.6%

Для компактности обозначений в таблице используются $~x=\sin ^{2}\,\theta _{\text{W}}~.$

* Невозможный распад на пару топ-кварк -антикварк исключен из таблицы.

Подзаголовки ЛЕВЫЙ и ПРАВЫЙ обозначают киральность или «рукакость» фермионов.

В 2018 году коллаборация CMS наблюдала первый эксклюзивный распад
С
бозона к ψ-мезону и паре лептон -антилептон.

См. также

• Статистика Бозе – Эйнштейна - Описание поведения бозонов.
• Список частиц
• Математическая формулировка Стандартной модели - Математика модели физики элементарных частиц.
• Слабый заряд
• Бозоны W 'и Z' - гипотетические частицы в физике
• Бозоны X и Y - Гипотетические элементарные частицы: аналогичная пара бозонов, предсказанная Теорией Великого Объединения.
• ZZ дибозон - субатомные частицы Страницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с бозонами W и Z, на Викискладе?
• Обзор физики частиц — главный источник информации о свойствах частиц.
• Частицы W и Z: личные воспоминания Пьера Дарриула
• Когда ЦЕРН увидел конец алфавита Даниэль Денегри
• Частицы W и Z в Гиперфизике