W- і Z-бозони

Існує два типи W-бозонів — з електричним зарядом +1 і −1 (в одиницях елементарного заряду); W⁺ є античастинкою для W⁻. Z-бозон (або Z⁰) електрично нейтральний і є античастинкою сам для себе. Всі три частинки дуже короткоживучі, із середнім часом життя близько 3 • 10⁻²⁵ секунд.

Ці бозони — «важкоатлети» серед елементарних частинок. З масою в 80,4 та 91,2 ГеВ/c², відповідно, W- і Z⁰-частинки майже в 100 разів масивніші протона — і навіть масивніші атомів заліза. Маса цих бозонів дуже важлива для розуміння слабкої взаємодії, оскільки обмежує радіус дії слабкої взаємодії. Електромагнітні сили, навпаки, мають нескінченний радіус дії, тому що їх бозон-переносник (фотон) не має маси.

Всі три бозони мають спін 1.

Розпад частинки з утворенням W⁺ або W⁻-бозона може або підвищити, або знизити електричний заряд частинки, що його випромінює, на 1 одиницю і змінити спін на 1 одиницю. В той же час W-бозон може змінювати покоління частинки, наприклад, перетворювати s-кварк в u-кварк. Z⁰-бозон не може змінювати ні електричний заряд, ні будь-який інший заряд (дивність, чарівність і т. д.) — лише спін та імпульс, отже він ніколи не змінює покоління чи аромат частинки, що випромінює його (див. слабкий нейтральний струм).

W- і Z-бозони — це частинки-переносники, які переносять слабку взаємодію, як фотон є частинкою-переносником для електромагнітної взаємодії. Відомо, що W-бозон відіграє важливу роль у ядерному розпаді. Розглянемо для прикладу бета-розпад ізотопу кобальту Co⁶⁰, важливий процес, що відбувається під час вибухів наднових:

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

В цій реакції бере участь не все ядро Co⁶⁰, а лише один з 33 його нейтронів. Нейтрон перетворюється на протон, випромінюючи електрон (який називається тут бета-частинкою) і антинейтрино:

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

Знову ж таки, сам нейтрон не є елементарною частинкою, а є складною частинкою, що складається з u-кварка і двох d-кварків (udd). Отже, насправді в бета-розпаді бере участь один з d-кварків, який перетворюється на u-кварк, щоб сформувати протон (uud). Отже, на найфундаментальнішому рівні слабка взаємодія просто змінює аромат одного кварка:

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

за яким негайно відбувається розпад самого W⁻:

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

Всі квантові числа Z-бозона дорівнюють нулю, оскільки він є античастинкою сам для себе. Отже, обмін Z-бозоном між частинками, який називають взаємодією нейтральних струмів, не змінює частинки, котрі взаємодіють, за винятком передачі імпульсу. На відміну від бета-розпаду, спостереження взаємодій нейтральних струмів вимагають таких величезних грошових вкладень у прискорювачі елементарних частинок і детектори, що можливі лише в декількох лабораторіях фізики високих енергій у світі.

Після вражаючих успіхів квантової електродинаміки в 1950-х робилися спроби побудувати схожу теорію для слабкої взаємодії. Це вдалося зробити 1968 року шляхом побудови загальної теорії електромагнетизму і слабких взаємодій Шелдоном Глешоу, Стівеном Вайнбергом і Абдусом Саламом, за яку вони разом отримали Нобелівську премію з фізики за 1979[1]. Їх теорія електрослабкої взаємодії передбачила не лише W-бозон, необхідний для пояснення бета-розпаду, але також і новий Z-бозон, який до цього ніколи не спостерігався.

Той факт, що W- і Z-бозони мають масу, тоді як фотон маси не має, був основною перешкодою для розвитку теорії електрослабкої взаємодії. Ці частинки точно описуються калібрувальною симетрією SU(2), але бозони в калібрувальній теорії мають бути безмасовими. Так фотон є безмасовим бозоном, оскільки електромагнетизм описується калібрувальною симетрією U(1). Необхідний деякий механізм, який би порушував симетрію SU(2), в процесі надаючи масу W- і Z-бозонам. Одне пояснення, механізм Хігса, було запропоновано Пітером Хігсом наприкінці 1960-х. Воно передбачає існування ще однієї нової частинки — бозона Хігса.

Поєднання калібрувальної теорії SU(2) слабкої взаємодії, електромагнітної взаємодії і механізму Хігса відоме як модель Глешоу-Вайнберга-Салама. Зараз це один зі стовпів Стандартної моделі фізики елементарних частинок. На 2006 рік єдиний прогноз Стандартної моделі, який експериментально не підтверджено — це існування бозона Хігса.

Відкриття W- і Z-бозонів — одна з найуспішніших сторінок історії ЦЕРНу. Спочатку, 1973 року, здійснювалося спостереження взаємодій нейтральних струмів, передбачених теорією електрослабкої взаємодії. У величезній бульбашковій камері «Гаргамелла» було сфотографовано треки декількох електронів, які раптово починали рухатися, здавалося б, самі собою. Це явище було інтерпретовано як взаємодія нейтрино і електрона за допомогою обміну невидимим Z-бозоном. Нейтрино також дуже важко детектувати, так що єдиним спостережуваним ефектом є імпульс, отриманий електроном після взаємодії.

Відкриття самих W- і Z-бозонів довелося чекати, поки не стало можливим побудувати прискорювачі, достатньо могутні, щоб створити їх. Першою такою машиною став Протонний суперсинхротрон, на якому було отримано недвозначні докази існування W бозонів у серіях експериментів, здійснених під керівництвом Карло Руббіа і Симоном ван дер Мером. Працювало одночасно два детектори, UA1 (під керівництвом Рубіа) і UA2, що були спільною працею багатьох людей. Ван дер Меєр був керівником робіт на прискорювачі, розробивши метод стохастичного охолодження для роботи з антипротонами. UA1 і UA2 відкрили Z-бозон за декілька місяців набору даних, у травні 1983 року. Рубіа і Ван дер Меєра було майже одразу нагороджено Нобелівською премією з фізики за 1984 рік[2], що було доволі незвичайним кроком для консервативної Нобелівської фундації.

• Стандартна модель
• Калібрувальний бозон
• Механізм Хігса

• Review Particle Physics, Основне джерело інформації про властивості елементарних частинок (англ.)
• Сторінка про W- і Z-бозони ЦЕРНу (англ.)
• W- і Z-частинки на Hyperphysics (англ.)
• Z-частинка на Everything2 (англ.)