W ± - og Z -bosoner ( W ± , Z 0 ) | |
---|---|
Forbindelse | fundamental partikel |
En familie | boson |
Gruppe | måler boson |
Deltager i interaktioner |
gravitationel [1] , svag , for W-bosoner også elektromagnetisk |
Antipartikel |
W + for W - Z 0 til sig selv |
Antal typer | 3 |
Vægt |
W : Z : 91,1876±0,0021 GeV / s 2 [4] |
Livstid |
~3⋅10 −25 s (henfaldsbredder: W -boson 2.141 GeV, Z -boson 2.4952 GeV) |
Teoretisk begrundet | Glashow , Weinberg , Salam ( 1968 ) |
Opdaget | fælles eksperimenter UA1 og UA2 , 1983 |
kvantetal | |
Elektrisk ladning |
W : ±1 e Z : 0 e |
farveladning | 0 |
baryon nummer | 0 |
Spin | 1 t |
Antal spin-tilstande | 3 |
Mediefiler på Wikimedia Commons |
W- og Z -bosoner er fundamentale partikler , bærere af den svage interaktion . Deres opdagelse ( CERN , 1983 ) betragtes som en af de største succeser for partikelfysikkens standardmodel .
W -partiklen er opkaldt efter det første bogstav i navnet på interaktionen - svag ( Svag ) interaktion. Z -partiklen har fået sit navn, fordi Z -bosonet har en elektrisk ladning på nul ( Nul ) .
Der er to typer W -bosoner - med elektrisk ladning +1 og -1 (i enheder af elementær ladning); W + er antipartiklen for W − . Z -bosonen (eller Z 0 ) er elektrisk neutral og er dens egen antipartikel. Alle tre partikler er meget kortlivede med en gennemsnitlig levetid på omkring 3⋅10-25 sekunder .
Disse bosoner er sværvægtere blandt elementære partikler. Med en masse på henholdsvis 80,4 og 91,2 GeV/c 2 er W ± - og Z 0 -partikler næsten 100 gange tungere end en proton og er tæt på masserne af henholdsvis rubidium- og technetiumatomer . Massen af disse bosoner er meget vigtig for at forstå den svage kraft, fordi den begrænser rækkevidden af den svage kraft. Elektromagnetiske kræfter har derimod et uendeligt område, fordi deres bærerboson ( fotonen ) ikke har nogen masse.
Alle tre typer bosoner har spin 1.
Emissionen af et W + - eller W - -boson kan enten øge eller mindske den elektriske ladning af den emitterende partikel med 1 enhed og ændre spindet med 1 enhed. Samtidig kan W -bosonen ændre genereringen af en partikel, for eksempel transformere en s -kvark til en u -kvark . Z 0 bosonen kan ikke ændre hverken elektrisk ladning eller nogen anden ladning ( mærkelighed , charme osv.) - kun spin og momentum, så den ændrer aldrig generationen eller smagen af den partikel, der udsender den (se neutralstrøm ).
W- og Z -bosonerne er den svage krafts bærerpartikler, ligesom fotonen er den elektromagnetiske krafts bærerpartikel. W - bosonet spiller en vigtig rolle i nuklear beta-henfald . Overvej for eksempel beta-henfaldet af kobolt - isotopen Co 60 , en vigtig proces, der finder sted under en supernovaeksplosion :
Ikke hele Co 60 -kernen deltager i denne reaktion , men kun én af dens 33 neutroner . Neutronen bliver til en proton ved at udsende en elektron (her kaldet en beta-partikel ) og en elektron antineutrino :
Igen er neutronen i sig selv ikke en fundamental, men en sammensat partikel, bestående af en u -kvark og to d -kvarker ( udd ). Så det, der faktisk er involveret i beta-henfald, er en af d - kvarkerne, som bliver til en u -kvark for at danne en proton ( uud ). Så på det mest fundamentale niveau ændrer den svage kraft simpelthen smagen af en kvark:
umiddelbart efterfulgt af henfaldet af W − selv :
Alle kvantetal af Z - bosonen er lig med nul, da det er en antipartikel til sig selv (den såkaldte sande neutrale partikel ). Derfor ændrer udvekslingen af et Z -boson mellem partikler, kaldet interaktionen af neutrale strømme , ikke de interagerende partikler. I modsætning til beta-henfald kræver observationer af vekselvirkningerne mellem neutrale strømme så store økonomiske investeringer i partikelacceleratorer og detektorer , at kun få højenergifysiklaboratorier i verden er mulige.
Efter de imponerende fremskridt inden for kvanteelektrodynamik i 1950'erne , blev der gjort forsøg på at konstruere en lignende teori for den svage kraft. Dette blev opnået i 1968 med konstruktionen af en generel teori om elektromagnetisme og svage interaktioner af Sheldon Glashow , Steven Weinberg og Abdus Salam , som de i fællesskab modtog Nobelprisen i fysik for i 1979 [5] . Deres teori om den elektrosvage kraft forudsagde ikke kun W -bosonen, der var nødvendig for at forklare beta-henfald, men også en ny Z - boson, der aldrig var blevet observeret før.
Det faktum, at W- og Z -bosonerne har masse, mens fotonen ikke har nogen masse, har været en stor hindring for udviklingen af den elektrosvage teori. Disse partikler er nøjagtigt beskrevet af SU (2) gauge symmetri , men bosonerne i gauge teorien skal være masseløse. Således er fotonen en masseløs boson, da elektromagnetisme er beskrevet ved U(1)-målesymmetrien. En eller anden mekanisme er nødvendig for at bryde SU (2)-symmetrien, der giver masse til W- og Z - bosonerne i processen. En forklaring, Higgs-mekanismen , blev foreslået i slutningen af 1960'erne af Peter Higgs . Den forudsiger eksistensen af endnu en ny partikel, Higgs-bosonen .
Kombinationen af SU (2) gauge-teorien om den svage kraft, den elektromagnetiske kraft og Higgs-mekanismen er kendt som Glashow-Weinberg-Salam-modellen . Nu er det en af grundpillerne i standardmodellen for partikelfysik.
Opdagelsen af W- og Z -bosonerne er en af de mest succesrige sider i CERN's historie. Først i 1973 blev der foretaget observationer af vekselvirkningerne af neutrale strømme forudsagt af teorien om den elektrosvage vekselvirkning. I et enormt boblekammer " Gargamel ", bestrålet af en neutrinostråle fra en accelerator, blev spor af adskillige elektroner fotograferet, som pludselig begyndte at bevæge sig, tilsyneladende af sig selv. Dette fænomen blev fortolket som samspillet mellem en neutrino og en elektron gennem udveksling af en usynlig Z -boson. Neutrinoer er også meget svære at opdage, så den eneste observerbare effekt er det momentum, som elektronen får efter interaktionen.
Opdagelsen af selve W- og Z -bosonerne måtte vente, indtil det var muligt at bygge acceleratorer, der var kraftige nok til at skabe dem. Den første sådan maskine var Super Proton Synchrotron (SPS) med detektorerne UA1 og UA2 (det samme navn blev givet til de samarbejder , der skabte dem), som gav utvetydige beviser for eksistensen af W -bosoner i en række eksperimenter udført under ledelsen af Carlo Rubbia og Simon van der Meera . Som de fleste større eksperimenter inden for højenergifysik var de mange menneskers fælles arbejde. Van der Meer var lederen af gruppen, der betjener acceleratoren (opfinder af konceptet stokastisk køling , som gjorde opdagelsen af W- og Z -bosonerne mulig). Partikler blev født i kollisionen af kolliderende stråler af protoner og antiprotoner . Et par måneder efter opdagelsen af W -bosonet (januar 1983) opdagede UA1- og UA2-samarbejdet Z - bosonet (maj 1983). Rubbia og van der Meer blev tildelt Nobelprisen i fysik i 1984 [6] kun halvandet år efter deres opdagelse, et usædvanligt træk fra den normalt konservative Nobelfond.
Z -boson med en sandsynlighed på 69,91% henfalder til et par kvark og antikvark og danner en meson; sandsynligheden for at det henfalder til en lepton og en antilepton er 10,10 % [4] . Bosonernes fødselI 2014 rapporterede ATLAS-samarbejdet om registrering af produktionen af par af W-bosoner af samme elektriske ladning [8] . BosonmasseI 2022 opnåede et samarbejde mellem fysikere ved Fermilab , efter ti års forskning, data om massen af W-bosonen, som viser, at massen af W-bosonen adskiller sig væsentligt fra forudsigelserne i standardmodellen . Ifølge deres beregninger er massen af W-bosonet 80.433,5 MeV plus/minus i alt 9,4 MeV [9] . Disse data er langt ud over standardmodellens forudsigelser, som begrænser W-bosonen til 80.357 MeV +/- 6 MeV. Det betyder, at den nye værdi afviger fra den forudsagte værdi med syv standardafvigelser. Hvis disse resultater bekræftes, så kan de indikere en partikel ukendt for videnskaben eller ny fysik, der går ud over standardmodellen [10] . Se ogsåNoter
Links
|