W- и Z-бозоны

W±- и Z-бозоны (W±, Z0)
Состав	фундаментальная частица
Семья	бозон
Группа	калибровочный бозон
Участвует во взаимодействиях	гравитационное[1], слабое, для W-бозонов также электромагнитное
Античастица	W+ для W- Z0 сама себе
Кол-во типов	3
Масса	W: 80,385±0,015  ГэВ/c2 (2012)[2] 80,433±0.009  ГэВ/c2 (2022)[3] Z: 91,1876±0,0021  ГэВ/c2[4]
Время жизни	~3⋅10−25 с (ширины распада: W-бозон 2,141 ГэВ, Z-бозон 2,4952 ГэВ)
Теоретически обоснована	1968 )
Обнаружена	совместные эксперименты 1983
Квантовые числа
Электрический заряд	W: ±1  e Z: 0 e
Цветовой заряд	0
Барионное число	0
Спин	1 ħ
Кол-во спиновых состояний	3
Медиафайлы на Викискладе

W- и Z-бозо́ны —

W-частица названа по первой букве названия взаимодействия — слабое (Weak) взаимодействие. Z-частица получила такое имя, поскольку Z-бозон имеет нулевой (Zero) электрический заряд.

Все три типа бозонов имеют спин 1.

Испускание W⁺- или W⁻-бозона может либо повысить, либо понизить электрический заряд испускающей частицы на 1 единицу и изменить спин на 1 единицу. В то же время W-бозон может менять поколение частицы, например, превращать s-кварк в u-кварк. Z⁰-бозон не может менять ни электрический заряд, ни любой другой заряд (странность, очарование и т. д.) — только спин и импульс, так что он никогда не меняет поколение или аромат частицы, испускающей его (см. нейтральный ток).

W- и Z-бозоны — это частицы-переносчики слабого взаимодействия, как фотон является частицей-переносчиком для электромагнитного взаимодействия. W-бозон играет важную роль в ядерном бета-распаде. Рассмотрим для примера бета-распад изотопа кобальта Co⁶⁰, важный процесс, происходящий при взрыве сверхновых:

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

В этой реакции участвует не всё ядро Co⁶⁰, а только один из его 33

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

Опять же сам нейтрон является не фундаментальной, а составной частицей, состоящей из u-кварка и двух d-кварков (udd). Так что на самом деле в бета-распаде участвует один из d-кварков, который превращается в u-кварк, чтобы сформировать протон (uud). Итак, на самом фундаментальном уровне слабое взаимодействие просто меняет аромат одного кварка:

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

за которым немедленно следует распад самого W⁻:

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

Все квантовые числа Z-бозона равны нулю, поскольку он является античастицей сам для себя (т. н.

Сочетание калибровочной теории SU(2) слабого взаимодействия, электромагнитного взаимодействия и механизма Хиггса известно как модель Глэшоу — Вайнберга — Салама. Сейчас это один из столпов Стандартной модели физики элементарных частиц.

Открытие W- и Z-бозонов — одна из самых успешных страниц истории ЦЕРНа. Сначала, в 1973 году, производились наблюдения взаимодействий нейтральных токов, предсказанных теорией электрослабого взаимодействия. В огромной пузырьковой камере «Гаргамель^[англ.]», облучаемой пучком нейтрино от ускорителя, были сфотографированы треки нескольких электронов, которые внезапно начинали двигаться, казалось бы, сами по себе. Это явление было интерпретировано как взаимодействие нейтрино и электрона при помощи обмена невидимым Z-бозоном. Нейтрино также очень трудно детектировать, так что единственным наблюдаемым эффектом является импульс, полученный электроном после взаимодействия.

Открытия самих W- и Z-бозонов пришлось ждать, пока не стало возможным построить ускорители, достаточно мощные, чтобы создать их. Первой такой машиной стал

всего через полтора года после открытия, что было необычным шагом со стороны обычно консервативного Нобелевского фонда.

Каналы распада бозонов

W-бозон[2][7] Канал распада Вероятность ${\displaystyle W^{+}\rightarrow e^{+}+\nu _{e}}$ 10,75 % ${\displaystyle W^{+}\rightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }}$ 10,57 % ${\displaystyle W^{+}\rightarrow \tau ^{+}+\nu _{\tau }}$ 11,25 % адроны 67,60 % Z-бозон с вероятностью 69,91 % распадается на пару кварк и антикварк, образующих мезон; вероятность того, что он распадётся на лептон и антилептон, составляет 10,10 %[4]. Рождение бозонов В 2014 году коллаборация ATLAS сообщила о регистрации рождения пар W-бозонов одного электрического заряда[8]. Масса бозонов В 2022 году коллаборация физиков из МэВ плюс/минус всего 9,4 МэВ[9]. Эти данные находятся далеко за пределами предсказаний Стандартной модели, которая ограничивает W-бозон 80 357 МэВ +/- 6 МэВ. Это означает, что новое значение отличается от предсказанного на семь стандартных отклонений. Если эти результаты подтвердятся, то они могут указывать на неизвестную науке частицу или на новую физику, выходящую за рамки Стандартной модели[10] . См. также W-бозон (частица) Z-бозон (частица) Стандартная модель Калибровочный бозон Механизм Хиггса Список бозонов Примечания ↑ Удивительный мир внутри атомного ядра. Вопросы после лекции Архивировано 15 июля 2015 года., ФИАН, 11 сентября 2007 года ↑ 1 2 J.Beringer et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D86, 010001 (2012). Калибровочные бозоны, W-бозон. Доступно на pdglive.lbl.gov (недоступная ссылка) (англ.) ↑ Архивированная копия  (неопр.). Дата обращения: 13 апреля 2022. Архивировано 13 апреля 2022 года. ↑ 1 2 J. Beringer et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D86, 010001 (2012). Калибровочные бозоны, Z-бозон. Доступно на pdglive.lbl.gov Архивировано 12 июля 2012 года. (англ.) ↑ The Nobel Prize in Physics 1979 Архивировано 26 февраля 2009 года. (англ.) ↑ The Nobel Prize in Physics 1984 Архивировано 7 апреля 2011 года. (англ.) ↑ Распады соответствующих античастиц получаются зарядовым сопряжением приведённых распадов. ↑ Парное рождение W-бозонов: новые результаты и новые объяснения Архивировано 9 августа 2014 года. ↑ CDF Collaboration†‡: T. Aaltonen, S. Amerio, D. Amidei, A. Anastassov, A. Annovi, J. Antos, G. Apollinari, J. A. Appel, et al. High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector (англ.). Science (7 апреля 2022). Дата обращения: 13 апреля 2022. Архивировано 12 апреля 2022 года. ↑ Новые данные о массе W-бозона ставят под сомнение Стандартную модель Ссылки Сводная таблица свойств W-бозона на сайте Particle Data Group. (англ.) Сводная таблица свойств Z-бозона на сайте Particle Data Group. (англ.) W и Z страница ЦЕРНа (англ) W и Z частицы на Hyperphysics (англ) Z частица на Everything2 (англ) Именная частица Алексей Левин «Популярная механика» №3, 2012