W és Z bozonok

W ± - és Z - bozonok ( W ± , Z 0 )
Összetett	alapvető részecske
Egy család	bozon
Csoport	mérő bozon
Részt vesz az interakciókban	gravitációs [1] , gyenge , W-bozonoknál szintén elektromágneses
Antirészecske	W + W - Z 0 esetén önmagának
Típusok száma	3
Súly	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]
Élettartam	~3⋅10 -25 s (bomlási szélességek: W -bozon 2,141 GeV, Z -bozon 2,4952 GeV)
Elméletileg indokolt	Glashow , Weinberg , Salam ( 1968 )
Felfedezve	közös kísérletek UA1 és UA2 , 1983
kvantumszámok
Elektromos töltés	W : ±1 e Z : 0 e
színtöltés	0
barionszám	0
Spin	1 óra
A spin állapotok száma	3
Médiafájlok a Wikimedia Commons oldalon

A W- és Z -bozonok alapvető részecskék , a gyenge kölcsönhatás hordozói. Felfedezésüket ( CERN , 1983 ) a részecskefizikai szabványmodell egyik legnagyobb sikerének tekintik.

A W -részecske a kölcsönhatás - gyenge ( Gyenge ) kölcsönhatás nevének első betűjéről kapta a nevét . A Z -részecske azért kapta a nevét, mert a Z -bozonnak nulla ( nulla ) elektromos töltése van .

Alaptulajdonságok

Kétféle W -bozon létezik - +1 és -1 elektromos töltéssel (elemi töltés mértékegységében); W + a W − antirészecskéje . _ A Z - bozon (vagy Z 0 ) elektromosan semleges, és saját antirészecskéje. Mindhárom részecske nagyon rövid életű, átlagos élettartama körülbelül 3⋅10-25 másodperc .

Ezek a bozonok nehézsúlyúak az elemi részecskék között. A 80,4 és 91,2 GeV/c 2 tömegű W ± - és Z 0 -részecskék csaknem 100-szor nehezebbek, mint egy proton , és közel vannak a rubídium és a technécium atomok tömegéhez . Ezeknek a bozonoknak a tömege nagyon fontos a gyenge erő megértéséhez, mert korlátozza a gyenge erő hatótávolságát. Ezzel szemben az elektromágneses erők tartománya végtelen, mivel hordozóbozonjuknak (a fotonnak ) nincs tömege.

Mindhárom bozontípusnak van spin 1.

A W + - vagy W - -bozon emissziója 1 egységgel növelheti vagy csökkentheti a kibocsátó részecske elektromos töltését, és 1 egységgel megváltoztathatja a spint. Ugyanakkor a W - bozon megváltoztathatja egy részecske keletkezését, például egy s - kvarkot u - kvarkká alakíthat . A Z 0 bozon sem elektromos töltést, sem más töltést ( furcsaság , báj stb.) nem tud megváltoztatni – csak a forgást és a lendületet, tehát soha nem változtatja meg az őt kibocsátó részecske keletkezését vagy ízét (lásd semleges áram ).

Gyenge interakció

A W és Z bozonok a gyenge erő hordozó részecskéi, ahogy a foton az elektromágneses erő hordozó részecskéi. A W -bozon fontos szerepet játszik a nukleáris béta-bomlásban . Vegyük például a Co 60 kobalt izotóp béta-bomlását , amely egy szupernóva-robbanás során fellépő fontos folyamat :

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

A Co 60 atommag nem mindegyike vesz részt ebben a reakcióban , hanem csak egy a 33 neutronjából . A neutron egy elektron (itt béta-részecske ) és egy elektron antineutrínó kibocsátásával válik protonná :

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

Ismétlem, maga a neutron nem alapvető, hanem összetett részecske, amely egy u -kvarkból és két d -kvarkból ( udd ) áll. Tehát ami valójában részt vesz a béta-bomlásban, az az egyik d -kvark, amely u -kvarkká alakul, és protont ( uud ) képez. Tehát a legalapvetőbb szinten a gyenge erő egyszerűen megváltoztatja egy kvark ízét :

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

közvetlenül követi magának a W - nek a bomlása :

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

A Z -bozon minden kvantumszáma nullával egyenlő, mivel ez egy antirészecske önmagához (az úgynevezett valódi semleges részecske ). Ezért a Z -bozon részecskék közötti cseréje, amelyet semleges áramok kölcsönhatásának neveznek , nem változtatja meg a kölcsönhatásban lévő részecskéket. A béta-bomlással ellentétben a semleges áramok kölcsönhatásának megfigyelése olyan hatalmas pénzügyi befektetést igényel részecskegyorsítókba és detektorokba , hogy a világon csak néhány nagy energiájú fizikai laboratórium lehetséges.

A W és Z bozonok előrejelzése

Az 1950 -es években a kvantumelektrodinamika lenyűgöző fejlődését követően kísérletek történtek egy hasonló elmélet felépítésére a gyenge erőre vonatkozóan. Ezt 1968 -ban érték el Sheldon Glashow , Steven Weinberg és Abdus Salam általános elektromágnesesség és gyenge kölcsönhatás elméletének felépítésével , amiért 1979 -ben közösen megkapták a fizikai Nobel-díjat [5] . Az elektrogyenge erőről alkotott elméletük nemcsak a béta-bomlás magyarázatához szükséges W -bozont jósolta meg, hanem egy új Z -bozont is, amelyet korábban soha nem figyeltek meg.

Az a tény, hogy a W és Z bozon tömege van, míg a fotonnak nincs tömege, nagy akadálya volt az elektrogyenge elmélet fejlődésének. Ezeket a részecskéket pontosan leírja az SU (2) mérőszimmetria , de a mérőelméletben a bozonoknak tömegtelenek kell lenniük. Így a foton tömeg nélküli bozon, mivel az elektromágnesességet az U(1) mérőszimmetria írja le. Valamilyen mechanizmusra van szükség az SU (2) szimmetria megtöréséhez, amely a folyamat során tömeget ad a W és Z bozonoknak. Az egyik magyarázatot, a Higgs-mechanizmust , az 1960 -as évek végén Peter Higgs javasolta . Egy újabb részecske, a Higgs-bozon létezését jósolja .

A gyenge erő, az elektromágneses erő és a Higgs-mechanizmus SU (2) mérőelméletének kombinációja Glashow–Weinberg–Salam modellként ismert . Jelenleg ez a részecskefizika standard modelljének egyik pillére.

A W és Z bozon kísérleti felfedezése

A W és Z bozonok felfedezése a CERN történetének egyik legsikeresebb lapja. Először 1973-ban figyelték meg a semleges áramok kölcsönhatásait, amelyeket az elektrogyenge kölcsönhatás elmélete jósolt. Egy hatalmas buborékkamrában " Gargamel ", amelyet egy gyorsító neutrínó sugara sugárzott be, több elektron nyomát fényképezték le, amelyek hirtelen mozgásba kezdtek, látszólag maguktól. Ezt a jelenséget egy neutrínó és egy elektron kölcsönhatásaként értelmezték egy láthatatlan Z -bozon cseréjén keresztül. A neutrínókat is nagyon nehéz kimutatni, így az egyetlen megfigyelhető hatás az elektron által a kölcsönhatás után nyert lendület.

Maguk a W és Z bozonok felfedezésére várni kellett, amíg létre nem lehet hozni elég erős gyorsítókat. Az első ilyen gép az UA1 és UA2 detektorokkal felszerelt Super Proton Synchrotron (SPS) volt (ugyanazt a nevet kapták az őket létrehozó együttműködések ), amely egyértelmű bizonyítékot szolgáltatott a W -bozonok létezésére az irányítása alatt végzett kísérletek során. Carlo Rubbia és Simon van der Meera . Mint a legtöbb nagy energiájú fizika kísérlet, ezek is sok ember közös munkái voltak. Van der Meer volt a gyorsítót üzemeltető csoport vezetője (a sztochasztikus hűtés koncepciójának feltalálója , amely lehetővé tette a W és Z bozonok felfedezését). Protonok és antiprotonok ütköző sugarainak ütközésekor részecskék születtek . Néhány hónappal a W -bozon felfedezése (1983. január) után az UA1 és az UA2 együttműködései fedezték fel a Z -bozont (1983. május). Rubbia és van der Meer 1984-ben kapott fizikai Nobel-díjat [6] mindössze másfél évvel felfedezésük után, ami az általában konzervatív Nobel Alapítvány szokatlan lépése.

Bozon bomlási csatornák

W -bozon [2] [7]
Bomlási csatorna	Valószínűség
${\displaystyle W^{+}\rightarrow e^{+}+\nu _{e))$	10,75%
$W^{+}\rightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }$	10,57%
$W^{+}\rightarrow \tau ^{+}+\nu _{\tau }$	11,25%
hadronok	67,60%

Z -bozon 69,91%-os valószínűséggel kvark és antikvark párrá bomlik, mezont képezve; annak valószínűsége, hogy leptonná és antileptonná bomlik, 10,10% [4] .

A bozonok születése

2014-ben az ATLAS együttműködés bejelentette, hogy azonos elektromos töltésű W-bozonpárok keletkeztek [8] .

Bozon tömege

2022-ben a Fermilab fizikusainak együttműködése tíz évnyi kutatás után olyan adatokat kapott a W-bozon tömegéről, amelyek azt mutatják, hogy a W-bozon tömege jelentősen eltér a Standard Modell előrejelzéseitől . Számításaik szerint a W-bozon tömege 80 433,5 MeV plusz/mínusz összesen 9,4 MeV [9] . Ezek az adatok messze túlmutatnak a Standard Modell előrejelzésein, amely a W-bozont 80 357 MeV +/- 6 MeV-ra korlátozza. Ez azt jelenti, hogy az új érték hét szórással tér el az előre jelzett értéktől. Ha ezek az eredmények beigazolódnak, akkor a tudomány vagy az új fizika számára ismeretlen részecskére utalhatnak, amely túlmutat a Standard Modellen [10] .

Lásd még

Jegyzetek

↑ A csodálatos világ az atommagban. Kérdések az előadás után Archiválva 2015. július 15. , FIAN, 2007. szeptember 11
↑ 1 2 J. Beringer et al . (Particle Data Group), Phys. Fordulat. D86, 010001 (2012). Mérőbozonok, W - bozon. Elérhető a pdglive.lbl.gov címen (a hivatkozás nem érhető el )
↑ Archivált másolat . Letöltve: 2022. április 13. Az eredetiből archiválva : 2022. április 13. (határozatlan)
↑ 1 2 J. Beringer et al . (Particle Data Group), Phys. Fordulat. D86, 010001 (2012). Mérőbozonok, Z - bozon. Elérhető a pdglive.lbl.gov címen. Archiválva az eredetiből 2012. július 12-én. (Angol)
↑ Fizikai Nobel-díj, 1979. Archiválva az eredetiből 2009. február 26-án. (Angol)
↑ Az 1984-es fizikai Nobel-díj archiválva : 2011. április 7. (Angol)
↑ A megfelelő antirészecskék bomlásait a redukált bomlások töltéskonjugációjával kapjuk meg.
↑ W-bozonok pártermelése: új eredmények és új magyarázatok Archiválva az eredetiből 2014. augusztus 9-én.
↑ CDF együttműködés†‡: T. Aaltonen, S. Amerio, D. Amidei, A. Anastassov, A. Annovi, J. Antos, G. Apollinari, JA Appel és mások. A W-bozon tömegének nagy pontosságú mérése CDF II detektorral . Tudomány (2022. április 7.). Letöltve: 2022. április 13. Az eredetiből archiválva : 2022. április 12.
↑ A W-bozon tömegére vonatkozó új adatok megkérdőjelezik a szabványos modellt

Linkek

A W - bozon tulajdonságainak összefoglaló táblázata a Particle Data Group webhelyen. (Angol)
A Z - bozon tulajdonságainak összefoglaló táblázata a Particle Data Group honlapján. (Angol)
A CERN W és Z oldala(magyar)
W és Z részecskék a hiperfizikáról
Z-részecske az Everything2-n (hun)
Névleges részecske Alexey Levin "Népszerű mechanika" 3. szám, 2012

Részecskék a fizikában

alapvető
részecskék

Fermions

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

Bozonok

Nyomtáv	γ g W ± •Z 0
Skalár	Higgs-bozon

Kompozit
részecskék

hadronok

Baryonok ( Hyperonok )	Nukleonok p p n n Δ Λ Σ Ξ Ω Pentakvarkok
Mezonok ( Quarkonia )	π η • η′ p ω φ J/ψ ϒ θ K B D T Tetrakvarkok

Alapvető és (vagy) összetett részecskék vegyületei

Rendes	Atommagok deuteron Triton Helion α atomok ionok Kationok anionok molekulák
Szokatlan	A hipernukleusz fizikában : Λ -hipermagok Hiperhidrogén Hypertriton Σ -hipermagok Egzotikus atomok : mezoatomok Muonic Müonos hidrogén Hadronic pünkösdi rózsa Kaonic Antiproton Σ -hiperonikus Lepton atomok pozitrónium Muonium Dimuónium protonium Pünkösdi rózsa mezomolekula Dipozitrónium