W- ja Z-bosonit

W ± - ja Z - bosonit ( W ± , Z 0 )
Yhdiste	perushiukkanen
Perhe	bosoni
Ryhmä	mittaa bosonia
Osallistuu vuorovaikutukseen	gravitaatio [1] , heikko , W-bosoneille myös sähkömagneettinen
Antihiukkanen	W + varten W - Z 0 itselleen
Tyyppien lukumäärä	3
Paino	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]
Elinikä	~3⋅10 −25 s (hajoamisleveydet: W -bosoni 2,141 GeV, Z -bosoni 2,4952 GeV)
Teoreettisesti perusteltu	Glashow , Weinberg , Salam ( 1968 )
Löytyi	yhteiset kokeet UA1 ja UA2 , 1983
kvanttiluvut
Sähkövaraus	W : ±1 e Z : 0 e
värimaksu	0
baryonin numero	0
Pyöritä	1 h
Pyörimistilojen lukumäärä	3
Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa

W - ja Z - bosonit ovat perushiukkasia , heikon vuorovaikutuksen kantajia. Heidän löytönsä ( CERN , 1983 ) pidetään yhtenä hiukkasfysiikan standardimallin suurimmista onnistumisista .

W -partikkeli on nimetty vuorovaikutuksen nimen ensimmäisestä kirjaimesta - heikko ( Heikko ) vuorovaikutus. Z -hiukkanen sai nimensä, koska Z -bosonilla on nolla ( nolla ) sähkövaraus .

Perusominaisuudet

W -bosoneja on kahta tyyppiä - sähkövarauksella +1 ja -1 (alkuainevarauksen yksiköissä); W + on W - : n antipartikkeli . Z - bosoni (tai Z 0 ) on sähköisesti neutraali ja se on oma antihiukkasensa. Kaikki kolme hiukkasta ovat hyvin lyhytikäisiä, ja niiden keskimääräinen elinikä on noin 3⋅10 -25 sekuntia.

Nämä bosonit ovat raskaspainoja alkuainehiukkasten joukossa. Massaltaan 80,4 ja 91,2 GeV/c 2 vastaavasti W ± - ja Z 0 -hiukkaset ovat lähes 100 kertaa raskaampia kuin protoni ja ovat lähellä rubidium- ja teknetiumatomien massoja , vastaavasti. Näiden bosonien massa on erittäin tärkeä heikon voiman ymmärtämiseksi, koska se rajoittaa heikon voiman kantamaa. Sitä vastoin sähkömagneettisilla voimilla on ääretön kantama, koska niiden kantajabosonilla ( fotonilla ) ei ole massaa.

Kaikilla kolmella bosonityypillä on spin 1.

W + - tai W - -bosonin emissio voi joko lisätä tai vähentää emittoivan hiukkasen sähkövarausta 1 yksiköllä ja muuttaa spiniä 1 yksiköllä. Samalla W -bosoni voi muuttaa hiukkasen syntyä , esimerkiksi muuntaa s - kvarkin u - kvarkiksi . Z 0 -bosoni ei voi muuttaa sähkövarausta tai muuta varausta ( ouduutta , viehätysvoimaa jne.) - vain pyörimistä ja liikemäärää, joten se ei koskaan muuta sitä lähettävän hiukkasen sukupolvea tai makua (katso neutraalivirta ).

Heikko vuorovaikutus

W- ja Z -bosonit ovat heikon voiman kantajahiukkasia, aivan kuten fotoni on sähkömagneettisen voiman kantajahiukkanen. W - bosonilla on tärkeä rooli ydinaineen beetan hajoamisessa . Harkitse esimerkiksi koboltti - isotoopin Co 60 beetahajoamista , joka on tärkeä prosessi, joka tapahtuu supernovaräjähdyksen aikana :

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

Kaikki Co 60 - ydin ei osallistu tähän reaktioon , vaan vain yksi sen 33 neutronista . Neutroni muuttuu protoniksi lähettämällä elektronin (tässä kutsutaan beetahiukkaseksi ) ja elektronin antineutrinon :

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

Myöskään neutroni itsessään ei ole perushiukkanen, vaan yhdistelmähiukkanen, joka koostuu u -kvarkista ja kahdesta d - kvarkista ( udd ). Beetan hajoamiseen liittyy siis yksi d - kvarkeista, joka muuttuu u -kvarkeiksi ja muodostaa protonin ( uud ). Niinpä perustavimmalla tasolla heikko voima yksinkertaisesti muuttaa yhden kvarkin makua :

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

jota seuraa välittömästi W − itsensä hajoaminen :

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

Kaikki Z -bosonin kvanttiluvut ovat nollia, koska se on antihiukkanen itselleen (ns. todellinen neutraali hiukkanen ). Siksi Z -bosonin vaihto hiukkasten välillä, jota kutsutaan neutraalien virtojen vuorovaikutukseksi , ei muuta vuorovaikutuksessa olevia hiukkasia. Toisin kuin beeta-hajoaminen, neutraalien virtojen vuorovaikutusten havainnointi vaatii niin suuria taloudellisia investointeja hiukkaskiihdyttimiin ja ilmaisimiin , että vain harvat korkean energian fysiikan laboratoriot ovat mahdollisia maailmassa.

W- ja Z - bosonien ennustus

1950 - luvulla kvanttielektrodynamiikassa tapahtuneen vaikuttavan edistyksen jälkeen yritettiin rakentaa samanlainen teoria heikolle voimalle. Tämä saavutettiin vuonna 1968 , kun Sheldon Glashow , Steven Weinberg ja Abdus Salam rakensivat yleisen teorian sähkömagnetismista ja heikkoista vuorovaikutuksista , josta he saivat yhdessä vuoden 1979 fysiikan Nobelin palkinnon [5] . Heidän teoriansa sähköheikosta voimasta ei vain ennustanut W - bosonia, jota tarvittiin selittämään beetahajoamista, vaan myös uuden Z - bosonin, jota ei ollut koskaan havaittu aiemmin.

Se tosiasia, että W- ja Z - bosoneilla on massa, kun taas fotonilla ei ole massaa, on ollut suuri este sähköheikon teorian kehitykselle. Nämä hiukkaset kuvataan tarkasti SU (2) -mittarin symmetrialla , mutta mittariteorian bosonien on oltava massattomia. Siten fotoni on massaton bosoni, koska sähkömagnetismia kuvaa U(1)-mittasymmetria. Jonkin verran mekanismia tarvitaan murtamaan SU (2) -symmetria, joka siirtää massaa W- ja Z -bosoneille prosessin aikana. Erään selityksen, Higgsin mekanismin , ehdotti 1960 -luvun lopulla Peter Higgs . Se ennustaa vielä toisen uuden hiukkasen, Higgsin bosonin , olemassaolon .

Heikon voiman, sähkömagneettisen voiman ja Higgsin mekanismin SU (2) -mittarin teorian yhdistelmä tunnetaan nimellä Glashow–Weinberg–Salam-malli . Nyt se on yksi hiukkasfysiikan vakiomallin pilareista.

W- ja Z - bosonien kokeellinen löytö

W- ja Z -bosonien löytö on yksi CERNin historian menestyneimmistä sivuista. Ensin vuonna 1973 tehtiin havaintoja sähköheikon vuorovaikutuksen teorian ennustamista neutraalien virtojen vuorovaikutuksista. Valtavassa " Gargamel " -kuplakammiossa , jota säteilytti kiihdytin neutriinosäde, valokuvattiin useiden elektronien jälkiä, jotka yhtäkkiä alkoivat liikkua, näennäisesti itsestään. Tämä ilmiö tulkittiin neutrinon ja elektronin vuorovaikutukseksi näkymättömän Z -bosonin vaihdon kautta. Neutriinoja on myös erittäin vaikea havaita, joten ainoa havaittavissa oleva vaikutus on elektronin vuorovaikutuksen jälkeen saama vauhti.

Itse W- ja Z -bosonien löytäminen joutui odottamaan, kunnes oli mahdollista rakentaa tarpeeksi tehokkaita kiihdyttimiä niiden luomiseen. Ensimmäinen tällainen kone oli Super Proton Synchrotron (SPS) ilmaisimilla UA1 ja UA2 (sama nimi annettiin ne luoneille yhteistyöhankkeille ), joka antoi yksiselitteisen todisteen W - bosonien olemassaolosta johdolla suoritetuissa kokeissa. Carlo Rubbia ja Simon van der Meera . Kuten useimmat suuret korkean energian fysiikan kokeet, ne olivat monien ihmisten yhteistä työtä. Van der Meer oli kiihdytintä käyttävän ryhmän johtaja ( stokastisen jäähdytyksen käsitteen keksijä, joka teki W- ja Z - bosonien löytämisen mahdolliseksi). Protonien ja antiprotonien törmäyssäteiden törmäyksessä syntyivät hiukkaset . Muutama kuukausi W - bosonin löytämisen jälkeen (tammikuu 1983), UA1- ja UA2-yhteistyö löysi Z - bosonin (toukokuu 1983). Rubbia ja van der Meer saivat vuoden 1984 fysiikan Nobelin palkinnon [6] vain puolitoista vuotta löytönsä jälkeen, mikä on tavallisesti konservatiivisen Nobel-säätiön epätavallinen siirto.

Bosonin hajoamiskanavat

W -bosoni [2] [7]
Decay kanava	Todennäköisyys
${\displaystyle W^{+}\rightarrow e^{+}+\nu _{e))$	10,75 %
$W^{+}\rightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }$	10,57 %
${\displaystyle W^{+}\rightarrow \tau ^{+}+\nu _{\tau ))$	11,25 %
hadronit	67,60 %

Z -bosoni 69,91 %:n todennäköisyydellä hajoaa kvarkin ja antikvarkin pariksi muodostaen mesonin; todennäköisyys, että se hajoaa leptoniksi ja antileptoniksi, on 10,10 % [4] .

Bosonien synty

Vuonna 2014 ATLAS-yhteistyö raportoi saman sähkövarauksen W-bosoniparien tuotannon rekisteröimisestä [8] .

Bosonimassa

Vuonna 2022 Fermilabin fyysikot saivat kymmenen vuoden tutkimuksen jälkeen tietoa W-bosonin massasta, joka osoittaa, että W-bosonin massa poikkeaa merkittävästi standardimallin ennusteista . Heidän laskelmiensa mukaan W-bosonin massa on 80 433,5 MeV plus/miinus yhteensä 9,4 MeV [9] . Nämä tiedot ovat paljon pidemmät kuin standardimallin ennusteet, joka rajoittaa W-bosonin arvoon 80 357 MeV +/- 6 MeV. Tämä tarkoittaa, että uusi arvo poikkeaa ennustetusta yhden seitsemän keskihajonnan verran. Jos nämä tulokset vahvistetaan, ne voivat viitata tieteen tai uuden fysiikan tuntemattomiin hiukkasiin, jotka ylittävät standardimallin [10] .

Katso myös

Muistiinpanot

↑ Hämmästyttävä maailma atomiytimen sisällä. Luennon jälkeiset kysymykset Arkistoitu 15. heinäkuuta 2015. , FIAN, 11. syyskuuta 2007
↑ 1 2 J. Beringer et ai . (Particle Data Group), Phys. Rev. D86, 010001 (2012). Mittaribosonit, W - bosonit. Saatavilla osoitteessa pdglive.lbl.gov (linkkiä ei ole saatavilla )
↑ Arkistoitu kopio . Haettu 13. huhtikuuta 2022. Arkistoitu alkuperäisestä 13. huhtikuuta 2022. (määrätön)
↑ 1 2 J. Beringer et ai . (Particle Data Group), Phys. Rev. D86, 010001 (2012). Mittaribosonit, Z - bosonit. Saatavilla osoitteessa pdglive.lbl.gov Arkistoitu alkuperäisestä 12. heinäkuuta 2012. (Englanti)
↑ Fysiikan Nobel-palkinto 1979 Arkistoitu alkuperäisestä 26. helmikuuta 2009. (Englanti)
↑ Fysiikan Nobelin palkinto 1984 Arkistoitu 7. huhtikuuta 2011. (Englanti)
↑ Vastaavien antihiukkasten hajoamiset saadaan pelkistetyistä hajoamisista varakonjugoimalla.
↑ W-bosonien parituotanto: uusia tuloksia ja uusia selityksiä Arkistoitu alkuperäisestä 9. elokuuta 2014.
↑ CDF-yhteistyö†‡: T. Aaltonen, S. Amerio, D. Amidei, A. Anastassov, A. Annovi, J. Antos, G. Apollinari, JA Appel, et al. W-bosonin massan tarkka mittaus CDF II -detektorilla . Tiede (7. huhtikuuta 2022). Haettu 13. huhtikuuta 2022. Arkistoitu alkuperäisestä 12. huhtikuuta 2022.
↑ Uudet tiedot W-bosonin massasta asettivat kyseenalaiseksi vakiomallin

Linkit

Yhteenvetotaulukko W - bosonin ominaisuuksista Particle Data Group -sivustolla. (Englanti)
Yhteenvetotaulukko Z - bosonin ominaisuuksista Particle Data Group -sivustolla. (Englanti)
CERNin W- ja Z - sivu(eng)
W- ja Z- hiukkaset hyperfysiikassa
Z-partikkeli kaikesta 2:sta (eng)
Nimellinen hiukkanen Aleksei Levin "Popular Mechanics" nro 3, 2012

Hiukkaset fysiikassa

perushiukkasia
_

Fermions

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

Bosonit

Arvioida	γ g W ± •Z 0
Skalaari	Higgsin bosoni

Komposiittihiukkaset
_

hadronit

Baryonit ( hyperonit )	Nukleonit s s n n Δ Λ Σ Ξ Ω Pentakvarkit
Mesonit ( Quarkonia )	π η • η′ s ω φ J/ψ ϒ θ K B D T Tetrakvarkit

Perus- ja (tai) yhdistehiukkasten yhdisteet

Tavallinen	Atomiytimet deuteron Triton Helion α atomeja ioneja Kationit Anionit molekyylejä
Epätavallinen	Hypernukleusfysiikassa : Λ -hyperytimet Hypervety Hypertriton Σ -hyperytimet Eksoottiset atomit : Mesoatomit Muonic Muoninen vety Hadronic pioni Kaonic Antiprotoni Σ -hyperoninen Leptonin atomit positronium Muonium Dimuonium protonium Pioni mesomolekuli Dipositronium