W- и Z-бозоны

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

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	Глэшоу, Вайнберг, Салам (1968)
Обнаружена	совместные эксперименты UA1 и UA2, 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-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

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи Википедии)

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

Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино посредством тяжелого W-бозона

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 нейтронов. Нейтрон превращается в протон, испуская электрон (называемый здесь бета-частицей) и электронное антинейтрино:

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

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. 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

Диаграмма Фейнмана, показывающая обмен парой W-бозонов. Это основная стадия процесса осцилляции нейтральных каонов.

Вслед за впечатляющими успехами квантовой электродинамики в 1950-х предпринимались попытки построить похожую теорию для слабого взаимодействия. Это удалось сделать в 1968 году 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^[5]. 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

Пузырьковая камера «Гаргамель», выставленная в ЦЕРН

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 Супер-протонный синхротрон (SPS) с детекторами UA1 и UA2 (так же назывались и коллаборации, создавшие их), на котором были получены недвусмысленные доказательства существования W-бозонов в сериях экспериментов, выполненных под руководством Карло Руббиа и Симона ван дер Меера. 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 года) коллаборации UA1 и UA2 открыли Z-бозон (май 1983 года). Руббиа и Ван дер Меер были награждены Нобелевской премией по физике 1984 года^[6] 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 Фермилаб после десяти лет исследований получила данные о массе W-бозона, которые показывают, что масса W-бозона существенно отличается от предсказаний Стандартной модели. По их расчетам, масса W-бозона равна 80 433,5 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 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. 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