W- и Z-бозоны

W±- и Z-бозоны <tr> <th>Символ</th> <td>W±, Z0</td> </tr><tr> <th>Состав</th> <td>элементарная частица</td> </tr><tr> <th>Семья</th> <td>бозон</td> </tr><tr> <th>Группа</th> <td>калибровочный бозон</td> </tr><tr> <th>Участвует во взаимодействиях</th> <td>гравитационное, слабое, для W-бозонов также электромагнитное</td> </tr><tr> <th>Античастица</th> <td>W+ для W- Z0 сама себе</td> </tr><tr> <th>Теоретически обоснована</th> <td>Глэшоу, Вайнберг, Салам (1968)</td></tr><tr> <th>Обнаружена</th> <td>совместные эксперименты UA1 и UA2, 1983</td><tr> <th>Кол-во типов</th> <td>3</td> </tr><tr> <th>Масса</th> <td>W: 80,385±0,015 ГэВ/c2 Z: 91,1876±0,0021 ГэВ/c2</td> </tr><tr> <th>Время жизни</th> <td>~3·10−25 с (ширины распада: W-бозон 2,141 ГэВ, Z-бозон 2,4952 ГэВ)</td> </tr><tr> <th colspan=2 align=center>Квантовые числа</th> </tr><tr> <th>Электрический заряд</th> <td>W: ±1 e Z: 0 e</td> </tr><tr> <th>Цветной заряд</th> <td>0</td> </tr><tr> <th>Барионное число</th> <td>0</td> </tr><tr> <th>Спин</th> <td>1 ħ</td> </tr><tr> <th>Кол-во спиновых состояний</th> <td>3</td> </tr>

W- и Z-бозо́ны — элементарные частицы, переносчики слабого взаимодействия. Их открытие (ЦЕРН, 1983) считается одним из главнейших успехов Стандартной модели физики элементарных частиц.

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

Основные свойства

Существует два типа W-бозонов — с электрическим зарядом +1 и −1 (в единицах элементарного заряда); W⁺ является античастицей для W⁻. Z-бозон (или Z⁰) электрически нейтрален и является античастицей сам для себя. Все три частицы очень короткоживущие, со средним временем жизни около 3·10⁻²⁵ секунд.

Эти бозоны — тяжеловесы среди элементарных частиц. С массой в 80,4 и 91,2 ГэВ/c², соответственно, W^±- и Z⁰-частицы почти в 100 раз тяжелее протона и близки к массе атомов рубидия и технеция, соответственно. Масса этих бозонов очень важна для понимания слабого взаимодействия, поскольку ограничивает радиус действия слабого взаимодействия. Электромагнитные силы, напротив, имеют бесконечный радиус действия, потому что их бозон-переносчик (фотон) не имеет массы.

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).

Слабое взаимодействие

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:

<math>{}^{60}_{27}\hbox{Co}\to{}^{60}_{28}\hbox{Ni}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e.</math>

В этой реакции участвует не всё ядро Co⁶⁰, а только один из его 33 нейтронов. Нейтрон превращается в протон, испуская электрон (называемый здесь бета-частицей) и электронное антинейтрино:

<math>\hbox{n}\to \hbox{p}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e.</math>

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:

<math>\hbox{d}\to\hbox{u}+\hbox{W}^-</math>

за которым немедленно следует распад самого W⁻:

<math>\hbox{W}^-\to\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e.</math>

Все квантовые числа Z-бозона равны нулю, поскольку он является античастицей сам для себя (т. н. истинно нейтральной частицей). Следовательно, обмен Z-бозоном между частицами, названный взаимодействием нейтральных токов, не меняет взаимодействующие частицы. В отличие от бета-распада наблюдения взаимодействий нейтральных токов требуют таких огромных денежных вложений в ускорители частиц и детекторы, что возможны только в нескольких лабораториях физики высоких энергий в мире.

Предсказание W- и Z-бозонов

Вслед за впечатляющими успехами квантовой электродинамики в 1950-х предпринимались попытки построить похожую теорию для слабого взаимодействия. Это удалось сделать в 1968 г. с построением общей теории электромагнетизма и слабых взаимодействий Шелдоном Глэшоу, Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, за которую они совместно получили Нобелевскую премию по физике 1979 года. Их теория электрослабого взаимодействия предсказала не только W-бозон, необходимый для объяснения бета-распада, но также новый Z-бозон, который до этого никогда не наблюдался.

Тот факт, что W- и Z-бозоны имеют массу, в то время как фотон массы не имеет, был главным препятствием для развития теории электрослабого взаимодействия. Эти частицы точно описываются калибровочной симметрией SU(2), но бозоны в калибровочной теории должны быть безмассовыми. Так, фотон является безмассовым бозоном, поскольку электромагнетизм описывается калибровочной симметрией U(1). Необходим некоторый механизм, который бы нарушал симметрию SU(2), в процессе придавая массу W- и Z-бозонам. Одно объяснение, механизм Хиггса, было предложено Питером Хиггсом в конце 1960-х. Оно предсказывает существование ещё одной новой частицы — бозона Хиггса.

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.

Экспериментальное открытие W- и Z-бозонов

Открытие W- и Z-бозонов — одна из самых успешных страниц истории ЦЕРНа. Сначала, в 1973 г., производились наблюдения взаимодействий нейтральных токов, предсказанных теорией электрослабого взаимодействия. В огромной пузырьковой камере «Гаргамель», 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 Супер-протонный синхротрон (СПС), на котором были получены недвусмысленные доказательства существования W-бозонов в сериях экспериментов, выполненных Карло Руббиа и Симоном ван дер Меером. На самом деле эти экспериментальные установки (и коллаборации, создавшие их) назывались UA1 (под руководством Руббиа) и UA2. Как и большинство крупных экспериментов в физике высоких энергий, они являлись совместным трудом многих людей. Ван дер Меер был руководителем группы, управляющей ускорителем (изобретатель концепции стохастического охлаждения, сделавшей возможным открытие W- и Z-бозонов). Частицы рождались в столкновении встречных пучков протонов и антипротонов. Через несколько месяцев после обнаружения W-бозона (январь 1983) коллаборации UA1 и UA2 открыли Z-бозон (май 1983 года). Руббиа и Ван дер Меер были награждены Нобелевской премией по физике 1984 года всего через полтора года после открытия, что было необычным шагом со стороны обычно консервативного Нобелевского фонда.

Каналы распада бозонов

W-бозон Канал распада Вероятность <math>W^+ \rightarrow e^+ + \nu</math> 10,75 % <math>W^+ \rightarrow \mu^+ + \nu</math> 10,57 % <math>W^+ \rightarrow \tau^+ + \nu</math> 11,25 % адроны 67,60 % Z-бозон с вероятностью 69,91 % распадается на адроны; вероятность того, что он распадётся на лептон и антилептон, составляет 10,10 %. Рождение бозонов В 2014 году коллаборация ATLAS сообщила о регистрации рождения пар W-бозонов одного электрического заряда. См. также Стандартная модель Калибровочный бозон Механизм Хиггса Список бозонов Напишите отзыв о статье "W- и Z-бозоны" Примечания Ссылки [pdg.lbl.gov/2010/listings/rpp2010-list-w-boson.pdf Сводная таблица свойств W-бозона] на сайте Particle Data Group. (англ.) [pdg.lbl.gov/2010/listings/rpp2010-list-z-boson.pdf Сводная таблица свойств Z-бозона] на сайте Particle Data Group. (англ.) [intranet.cern.ch/Chronological/Announcements/CERNAnnouncements/2003/09-16WZSymposium/Courier/HeavyLight/Heavylight.html W и Z] страница ЦЕРНа (англ) [hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/expar.html#c4 W и Z частицы на Hyperphysics] (англ) [www.everything2.com/index.pl?node=Z%20particle Z частица на Everything2] (англ)

Отрывок, характеризующий W- и Z-бозоны

С 28 по 31 августа вся Москва была в хлопотах и движении. Каждый день в Дорогомиловскую заставу ввозили и развозили по Москве тысячи раненых в Бородинском сражении, и тысячи подвод, с жителями и имуществом, выезжали в другие заставы. Несмотря на афишки Растопчина, или независимо от них, или вследствие их, самые противоречащие и странные новости передавались по городу. Кто говорил о том, что не велено никому выезжать; кто, напротив, рассказывал, что подняли все иконы из церквей и что всех высылают насильно; кто говорил, что было еще сраженье после Бородинского, в котором разбиты французы; кто говорил, напротив, что все русское войско уничтожено; кто говорил о московском ополчении, которое пойдет с духовенством впереди на Три Горы; кто потихоньку рассказывал, что Августину не ведено выезжать, что пойманы изменники, что мужики бунтуют и грабят тех, кто выезжает, и т. п., и т. п. Но это только говорили, а в сущности, и те, которые ехали, и те, которые оставались (несмотря на то, что еще не было совета в Филях, на котором решено было оставить Москву), – все чувствовали, хотя и не выказывали этого, что Москва непременно сдана будет и что надо как можно скорее убираться самим и спасать свое имущество. Чувствовалось, что все вдруг должно разорваться и измениться, но до 1 го числа ничто еще не изменялось. Как преступник, которого ведут на казнь, знает, что вот вот он должен погибнуть, но все еще приглядывается вокруг себя и поправляет дурно надетую шапку, так и Москва невольно продолжала свою обычную жизнь, хотя знала, что близко то время погибели, когда разорвутся все те условные отношения жизни, которым привыкли покоряться.
В продолжение этих трех дней, предшествовавших пленению Москвы, все семейство Ростовых находилось в различных житейских хлопотах. Глава семейства, граф Илья Андреич, беспрестанно ездил по городу, собирая со всех сторон ходившие слухи, и дома делал общие поверхностные и торопливые распоряжения о приготовлениях к отъезду.
Графиня следила за уборкой вещей, всем была недовольна и ходила за беспрестанно убегавшим от нее Петей, ревнуя его к Наташе, с которой он проводил все время. Соня одна распоряжалась практической стороной дела: укладываньем вещей. Но Соня была особенно грустна и молчалива все это последнее время. Письмо Nicolas, в котором он упоминал о княжне Марье, вызвало в ее присутствии радостные рассуждения графини о том, как во встрече княжны Марьи с Nicolas она видела промысл божий.
– Я никогда не радовалась тогда, – сказала графиня, – когда Болконский был женихом Наташи, а я всегда желала, и у меня есть предчувствие, что Николинька женится на княжне. И как бы это хорошо было!
Соня чувствовала, что это была правда, что единственная возможность поправления дел Ростовых была женитьба на богатой и что княжна была хорошая партия. Но ей было это очень горько. Несмотря на свое горе или, может быть, именно вследствие своего горя, она на себя взяла все трудные заботы распоряжений об уборке и укладке вещей и целые дни была занята. Граф и графиня обращались к ней, когда им что нибудь нужно было приказывать. Петя и Наташа, напротив, не только не помогали родителям, но большею частью всем в доме надоедали и мешали. И целый день почти слышны были в доме их беготня, крики и беспричинный хохот. Они смеялись и радовались вовсе не оттого, что была причина их смеху; но им на душе было радостно и весело, и потому все, что ни случалось, было для них причиной радости и смеха. Пете было весело оттого, что, уехав из дома мальчиком, он вернулся (как ему говорили все) молодцом мужчиной; весело было оттого, что он дома, оттого, что он из Белой Церкви, где не скоро была надежда попасть в сраженье, попал в Москву, где на днях будут драться; и главное, весело оттого, что Наташа, настроению духа которой он всегда покорялся, была весела. Наташа же была весела потому, что она слишком долго была грустна, и теперь ничто не напоминало ей причину ее грусти, и она была здорова. Еще она была весела потому, что был человек, который ею восхищался (восхищение других была та мазь колес, которая была необходима для того, чтоб ее машина совершенно свободно двигалась), и Петя восхищался ею. Главное же, веселы они были потому, что война была под Москвой, что будут сражаться у заставы, что раздают оружие, что все бегут, уезжают куда то, что вообще происходит что то необычайное, что всегда радостно для человека, в особенности для молодого.


31 го августа, в субботу, в доме Ростовых все казалось перевернутым вверх дном. Все двери были растворены, вся мебель вынесена или переставлена, зеркала, картины сняты. В комнатах стояли сундуки, валялось сено, оберточная бумага и веревки. Мужики и дворовые, выносившие вещи, тяжелыми шагами ходили по паркету. На дворе теснились мужицкие телеги, некоторые уже уложенные верхом и увязанные, некоторые еще пустые.
Голоса и шаги огромной дворни и приехавших с подводами мужиков звучали, перекликиваясь, на дворе и в доме. Граф с утра выехал куда то. Графиня, у которой разболелась голова от суеты и шума, лежала в новой диванной с уксусными повязками на голове. Пети не было дома (он пошел к товарищу, с которым намеревался из ополченцев перейти в действующую армию). Соня присутствовала в зале при укладке хрусталя и фарфора. Наташа сидела в своей разоренной комнате на полу, между разбросанными платьями, лентами, шарфами, и, неподвижно глядя на пол, держала в руках старое бальное платье, то самое (уже старое по моде) платье, в котором она в первый раз была на петербургском бале.
Наташе совестно было ничего не делать в доме, тогда как все были так заняты, и она несколько раз с утра еще пробовала приняться за дело; но душа ее не лежала к этому делу; а она не могла и не умела делать что нибудь не от всей души, не изо всех своих сил. Она постояла над Соней при укладке фарфора, хотела помочь, но тотчас же бросила и пошла к себе укладывать свои вещи. Сначала ее веселило то, что она раздавала свои платья и ленты горничным, но потом, когда остальные все таки надо было укладывать, ей это показалось скучным.
– Дуняша, ты уложишь, голубушка? Да? Да?
И когда Дуняша охотно обещалась ей все сделать, Наташа села на пол, взяла в руки старое бальное платье и задумалась совсем не о том, что бы должно было занимать ее теперь. Из задумчивости, в которой находилась Наташа, вывел ее говор девушек в соседней девичьей и звуки их поспешных шагов из девичьей на заднее крыльцо. Наташа встала и посмотрела в окно. На улице остановился огромный поезд раненых.
Девушки, лакеи, ключница, няня, повар, кучера, форейторы, поваренки стояли у ворот, глядя на раненых.
Наташа, накинув белый носовой платок на волосы и придерживая его обеими руками за кончики, вышла на улицу.
Бывшая ключница, старушка Мавра Кузминишна, отделилась от толпы, стоявшей у ворот, и, подойдя к телеге, на которой была рогожная кибиточка, разговаривала с лежавшим в этой телеге молодым бледным офицером. Наташа подвинулась на несколько шагов и робко остановилась, продолжая придерживать свой платок и слушая то, что говорила ключница.
– Что ж, у вас, значит, никого и нет в Москве? – говорила Мавра Кузминишна. – Вам бы покойнее где на квартире… Вот бы хоть к нам. Господа уезжают.
– Не знаю, позволят ли, – слабым голосом сказал офицер. – Вон начальник… спросите, – и он указал на толстого майора, который возвращался назад по улице по ряду телег.
Наташа испуганными глазами заглянула в лицо раненого офицера и тотчас же пошла навстречу майору.
– Можно раненым у нас в доме остановиться? – спросила она.
Майор с улыбкой приложил руку к козырьку.
– Кого вам угодно, мамзель? – сказал он, суживая глаза и улыбаясь.
Наташа спокойно повторила свой вопрос, и лицо и вся манера ее, несмотря на то, что она продолжала держать свой платок за кончики, были так серьезны, что майор перестал улыбаться и, сначала задумавшись, как бы спрашивая себя, в какой степени это можно, ответил ей утвердительно.
– О, да, отчего ж, можно, – сказал он.
Наташа слегка наклонила голову и быстрыми шагами вернулась к Мавре Кузминишне, стоявшей над офицером и с жалобным участием разговаривавшей с ним.
– Можно, он сказал, можно! – шепотом сказала Наташа.
Офицер в кибиточке завернул во двор Ростовых, и десятки телег с ранеными стали, по приглашениям городских жителей, заворачивать в дворы и подъезжать к подъездам домов Поварской улицы. Наташе, видимо, поправились эти, вне обычных условий жизни, отношения с новыми людьми. Она вместе с Маврой Кузминишной старалась заворотить на свой двор как можно больше раненых.
– Надо все таки папаше доложить, – сказала Мавра Кузминишна.
– Ничего, ничего, разве не все равно! На один день мы в гостиную перейдем. Можно всю нашу половину им отдать.
– Ну, уж вы, барышня, придумаете! Да хоть и в флигеля, в холостую, к нянюшке, и то спросить надо.
– Ну, я спрошу.
Наташа побежала в дом и на цыпочках вошла в полуотворенную дверь диванной, из которой пахло уксусом и гофманскими каплями.
– Вы спите, мама?
– Ах, какой сон! – сказала, пробуждаясь, только что задремавшая графиня.
– Мама, голубчик, – сказала Наташа, становясь на колени перед матерью и близко приставляя свое лицо к ее лицу. – Виновата, простите, никогда не буду, я вас разбудила. Меня Мавра Кузминишна послала, тут раненых привезли, офицеров, позволите? А им некуда деваться; я знаю, что вы позволите… – говорила она быстро, не переводя духа.
– Какие офицеры? Кого привезли? Ничего не понимаю, – сказала графиня.
Наташа засмеялась, графиня тоже слабо улыбалась.
– Я знала, что вы позволите… так я так и скажу. – И Наташа, поцеловав мать, встала и пошла к двери.
В зале она встретила отца, с дурными известиями возвратившегося домой.
– Досиделись мы! – с невольной досадой сказал граф. – И клуб закрыт, и полиция выходит.
– Папа, ничего, что я раненых пригласила в дом? – сказала ему Наташа.
– Разумеется, ничего, – рассеянно сказал граф. – Не в том дело, а теперь прошу, чтобы пустяками не заниматься, а помогать укладывать и ехать, ехать, ехать завтра… – И граф передал дворецкому и людям то же приказание. За обедом вернувшийся Петя рассказывал свои новости.