W и Z бозони

W и Z бозони (заедно познати како слаби бозони, помалку конкретно, средно векторски бозони) се елементарни честички кои посредуваат при слаба интеракција; нивните симболи се W+, W−, и Z. W бозоните имаат позитивен и негативен електричен полнеж од 1 елементарен полнеж соодветно и се античестички на другиот. Z бозон е електрично неутрален и е своја античестичка. Трите честички имаат спин од 1, и W бозоните имаат магнетен момент, додека Z има ништо. Сите три од овие честички се многу краткотрајни, со полураспад од околу 3×10−25 s. Откритието е голем успех за она што сега се нарекува на стандардниот модел на физиката на честичките.

W±
и
Z0
бозони

Состав	елементарна честичка
Статистика	Бозонична
Заемодејства	слабо заемодејство
Предвиденна	Глешоу, Вајнберг, Салам (1968)
Откриена	Партнерствата UA1 и UA2, ЦЕРН, 1983
Маса	W: 80,385 ± 0,015 GeV/c2 Z: 91,1876 ± 0,0021 GeV/c2
Распадна ширина	W: 2,085 ± 0,042 GeV/c2 Z: 2,4952 ± 0,0023 GeV/c2
Ел. полнеж	W: ±1 e Z: 0 e
Спин	1

W бозоните се именувани по слабата сила. Физичарот Стивен Вајнберг ја именувал  дополнителната Z честичка, подоцна давајќи образложение дека тоа е последена дополнителна честичка потребна  на моделот - W бозоните веќе биле именувани - и тоа што има нула електричен полнеж.

Двата W бозони се најдобро познати како медијатори на неутрино апсорпција и емисија, каде нивниот полнеж е поврзан со електрон или позитрон емисиона или апсорпција, секогаш предизвикува јадрена трансмутацијa. Z бозонот не е вклучен во апсорпција или емисија на електрони и позитрони.

Z бозонот го посредува трансферот на моментум, спин, и енергија кога неутринот се издвојува еластично од материјата, нешто што мора да се случи без производство или апсорпција на нови, наелектризирани честички. Ваквото однесување (што е речиси како нееластичена неутрино интеракција) се гледа во балонски комори озрачени со неутрино греди. Едноставно "се појавува" секогаш кога еден електрон во таква комора како нова слободна честичка одеднаш се движи со кинетичка енергија, и се движи во насока на неутрината како очигледен резултат на нов импулс, и ова однесување се случува почесто кога неутрино честичката е моментална, тоа се заклучува дека е резултат на неутрино интеракцијата директна со електрон. Еве, на неутрино едноставно удира на електрони и растура оддалечи од неа, пренесување на некои од импулсот на неутрино да електронот. Бидејќи (i) ниту пак неутрина електроните се погодени од силна сила, (ii) неутрина се електрично неутрален (затоа не комуницирате електромагнетно), и (iii) неверојатно мали маси од овие честички се направи било гравитациската сила помеѓу нив занемарлив, таквата интеракција може да се случи преку слабата сила. Бидејќи таквите електронот не е создадена од Нуклеон, и е непроменета, освен за новите сили импулс даваше од страна на неутрино, ова слабите интеракции сила помеѓу неутрино и електронот мора да бидат со посредство на слаба сила бозон честички без обвинение. Така, оваа интеракција бара Z бозон.

Основни Својства

Овие бозони се меѓу најтешките од елементарните честички. Со маси од 80,4 GeV / с2 и 91,2 GeV / с2, соодветно, W и Z бозоните се речиси 100 пати поголеми од протонот (потешки), па дури и од целиот атом на железо. Масите на овие бозони се значајни затоа што се движечки носители на фундаментална сила со прилично краток опсег: така нивните високи маси го ограничуваат опсегот на слабата јадрена сила. По пат на контраст, електромагнетната сила има бесконечен спектар, бидејќи нејзиниот носител на сила, фотонот, има нула маса, а истото би требало на хипотетички гравитон. 

Сите три бозони имаат спин на честички s = 1. Емисијата на W + или W- бозон или го зголемува или намалува електричниот полнеж на честичката што се емитува од страна на една единица, и исто така го менува спинот за една единица. Во исто време на емисија односно апсорпција на W бозон може да го смените типот на честичката. Неутралниот Z бозон не може да го промени електричниот полнеж на  честичката.Емисијата односно апсорпцијата на Z бозон може да се промени само спин,моментум, и енергијата на другите честички.

Слаба јадрена сила 

The Feynman diagram for beta decay of a neutron into a proton, electron, and electron antineutrino via an intermediate heavy W boson

W и Z бозоните се честички кои ја посредуваат слабата јадрена сила, колку што е фотонот е честичка носач за електромагнетната сила.

W бозони

W бозоните се најдобро познати по својата улога во јадреното распаѓање. Погледнете ги, на пример, бета распаѓањето на кобалт-60.

60
27Co → 60
28Ni⁺ +
e−
+ ν
e

Оваа реакција не го  вклучува целиот кобалт-60 јадро, но влијае само на  еден од нејзините 33 неутрони. Неутронот е претворен во еден протон додека исто така емитува електрон (наречен бета-честичка во овој контекст) и еден електрон antineutrinо:

n0 → p+ + e− + ν

Повторно неутронот не е елементарна честичка но мешавината на горен кварк и две долен кваркови (UDD). Тоа е всушност еден од кварковите долу кој се поврзува со бета распаѓање, се претвора во нагорна кварк да формираат протонот (uud). На повеќето основни ниво, тогаш, слабата сила го менува вкусот на еден кварк:

d → u + W−
W−

Кој е веднаш проследен  од на  W−
W−
 бозонот

W−
W−
→
e−
+ ν
e

Z бозони

Z бозонот е своја античестичка. Така, на сите свои квантни броеви и полнежи се нула. Размена на Z бозон помеѓу честички, наречени неутрална тековната интеракција, затоа останува интеракцијата на честички непроменета, освен за трансфер на интензитет. Z бозони интеракции кои вклучуваат неутрината имаат карактеристични потписи: Тие обезбедуваат единствениот познат механизам за еластична расипување на неутрина во прашање; неутрина се речиси исто толку веројатно да растера еластично (преку размена Z бозон) како inelastically (преку W размена бозон). Првиот предвидување на Z бозони беше направен од страна на бразилскиот физичар Жозе Лите Лопес во 1958 година, од страна на осмислување равенка која покажа аналогијата на слабата јадрена интеракции со електромагнетизмот. Стив Вајнберг, Шелдон Glashow и Абдус Салам користи подоцна тие резултати да развијат електрослабата обединување, во 1973 Слаби неутрален струи преку размена Z бозон беа потврдени набргу потоа во 1974 година, во неутрино експеримент во балонската комора Gargamelle во ЦЕРН

Предвидувањето на W и Z

A Feynman diagramам

showing the exchange of a pair of W bosons. This is one of the leading terms contributing to neutral Kaon oscillation.]]

По спектакуларен успех на квантната електродинамика во 1950 година, беа преземени обиди да се формулира слична теорија на слабата јадрена сила. Ова кулминира околу 1968 година, во една унифицирана теорија на електромагнетизмот и слабите интеракции со Шелдон Ла Глешоу, Стивен Вајнберг и Абдус Салам, за кои тие делат Нобеловата награда за физика во 1979 година. Нивнита електрослаба теорија претпоставува не само на W бозони потребно да се објасни бета распаѓање, но и нова Z бозон, кој никогаш не бил забележан.

Фактот дека на W и Z бозони имаат маса додека фотоните се без маса беше главна пречка во развојот на електрослабата теорија. Овие честички се прецизно опишани од теоријата на мерач СУ (2), но во теорија бозони мерач мора да биде massless. Како што е случај во точка, фотонот е без маса бидејќи електромагнетизмот е опишан од (1) теорија У мерач. Некои механизам е потребно за да се пробие на СУ (2) симетрија, давајќи им можност на маса на W и Z во процесот. Едно објаснување, механизмот Хигс, беше проследен со кршење на трудови од 1964 PRL симетрија. Тоа се предвидува постоење на уште една нова честичка; на Хигсовиот бозон. Од четирите компоненти на Голдстоун бозон создадена од областа на Хигсовиот, три се "јаде" од Ж +, z0 и W- бозони да формираат надолжна компоненти, а остатокот се појавува како спин 0 Хигсовиот бозон.

Комбинација на (2) теорија на СУ мерач на слабите интеракции, на електромагнетно интеракција, како и механизмот Хигс е позната како модел на Glashow-Вајнберг-Салам. Овие денови е широко прифатен како еден од столбовите на стандардниот модел на физиката на честички. Од 13 декември 2011 година, интензивна потрага по Хигсовиот бозон врши во ЦЕРН, посочи дека ако на честичките е да се најде, се чини веројатно да се најдат околу 125 GeV. На 4 јули 2012 година, на CMS и атласот експериментални соработки во ЦЕРН објави откривањето на нова честичка со маса од 125,3 ± 0.6 GeV, која се појавува во согласност со Хигсовиот бозон. 

Откритие

The Gargamelle bubble chamber, now exhibited at CERN

За разлика од бета распаѓањето, набљудувањето на неутрален тековните интеракции кои вклучуваат честички освен неутрина бара огромни инвестиции во честички акцелератори и детектори, како што се на располагање за само неколку лаборатории за високоенергетска физика во светот (и тоа само по 1983). Тоа е затоа што на Z-бозони однесуваат во малку на ист начин како фотони, но не стане важен додека енергијата на интеракција е споредлив со релативно огромна маса на Z бозон.

Откривањето на W и Z бозоните се смета за голем успех за ЦЕРН. Прво, во 1973 година дојде на набљудувањето на неутрален тековните интеракции како што е предвидено од страна на електрослабата теорија. Gargamelle огромен балон комора фотографираше трагата на неколку електрони одеднаш почнуваат да се движат, навидум сами по себе. Ова се толкува како неутрино интеракција со електрони, со размена на невидена Z бозон. На неутрино е инаку невидливи, па единствениот забележителен ефект е моментумот даваше на електрони од страна на интеракција.

Откривањето на W и Z бозоните самите мораа да чекаат за изградба на акцелератор на честички доволно моќни за да ги произведе истите. Прва ваква машина која стана достапна е Super Proton Synchrotron, каде што се забележани недвосмислени сигнали на W бозони во јануари 1983 година за време на серија експерименти овозможена од страна на Карло Рубија и Симон ван дер Меер. Реалните експерименти биле повикани UA1 (предводени од Rubbia) и UA2 (предводена од Пјер Darriulat), и се заеднички напори на многу луѓе. Ван дер Меер беше на сила на крајот на педалот за гас (стохастички ладење) возењето. UA1 и UA2 откривме Z бозон, неколку месеци подоцна, во мај 1983 година Rubbia и ван дер Меер беа доделени веднаш во 1984 година Нобеловата награда за физика, повеќе невообичаен чекор за конзервативната Нобеловата фондација.

 W+
W+
, W−
W−
, и Z0
Z0
 бозоните, заедно со фотон (γ), се состојат од четири бозони мерачи на електрослабата интеракција.

Распаѓање

Распаѓање на W и Z бозони да fermion-antifermion парови но ниту W ниту Z бозоните може да се распаѓа во повисока маса на врвот кварк. Занемарувачката фаза простор ефекти и повисоки исправки цел, едноставна проценки на нивните разгранување фракции може да се пресмета од константи спојка.

W бозони

W бозони може да се распаѓаат на лептон и неутрино и  до-тип кварк и одредување на типот на кварк. Ширината на распаѓањето на W бозон на кварк-антикварк пар е пропорционален на соодветниот квадрат, елемент на CKM-матрица, а бројот на кварк бои, NC = 3. ширини на распаѓање на бозони W се тогаш пропорционална на:

Лептони		Горни кваркови		Магични кваркови
e+ν e	1	ud	3|Vud|2	cd	3|Vcd|2
μ+ν μ	1	us	3|Vus|2	cs	3|Vcs|2
τ+ν τ	1	ub	3|Vub|2	cb	3|Vcb|2

Тука, e +, μ + τ + означуваат трите вкусови на лептони (поточно, позитивно наелектризираните анти лептони). ν Е, ν μ, ν τ означуваат трите вкусови на неутрина. На други честички, почнувајќи со u и г, сите означување кварковите и antiquarks (фактор NC се применува). Различните vij означи соодветното CKM матрица коефициенти.

Unitarity на матрицата на CKM имплицира дека | Vud | 2 + | Vus | 2 + | VUB | 2 = | VCD | 2 + | ВЦС | 2 + | VCB | 2 = 1. Затоа leptonic разгранување показателите на W бозон се приближно Б (д + ν д) = B (μ + ν μ) = B (τ + ν τ) = 1/9. Hadronic разгранување сооднос е доминирана од страна на CKM-фаворизира уд и CS финалето држави. Збирот на hadronic разгранување коефициенти е измерена експериментално да биде 67,60 ± 0,27%, со Б (л + νl) = 10,80 ± 0,09%.

Z бозони

Z бозони распаѓање во fermion и нејзините античестичка. Како Z-бозон е мешавина на пред-симетрија кршење W0 и B0 бозони (види слаб агол мешање), секоја теме фактор вклучува фактор Т3 - Qsin2θW, каде Т3 е третата компонента на слаба isospin на fermion, Q е електричен полнеж на fermion (во единици на елементарниот полнеж), и θW е слаб агол на мешање. Поради слабата isospin е различна за различни таканаречени фермиони хиралност, или левак или десна рака, за спојување е различен.

Релативната сила на секој спојка може да се процени со оглед на тоа што стапките на забите вклучуваат на плоштадот на овие фактори, и сите можни дијаграми (пр сума над кварк семејства, и лево и десно придонеси). Ова е само проценка, како ние се размислува само дијаграми дрво ниво во теоријата Ферми. 

Честички		Делотворен полнеж		Релативен фактор	Разгранувачки однос
Име	Симболи	Л	Д		Предвиден за x = 0,23	Експериментални мерења
Неутрина (сите)	ν e, ν μ, ν τ	1⁄2	0	3( 1⁄2)2	20,5	20,00 ± 0,06
Наелектризирани лептони (сите)	e− , μ− , τ−			3((− 1⁄2 + x)2 + x2)	10,2	10,097 ± 0,003
Електрон	e−	− 1⁄2 + x	x	(− 1⁄2 + x)2 + x2	3,4	3,363 ± 0,004
Мион	μ−	− 1⁄2 + x	x	(− 1⁄2 + x)2 + x2	3,4	3,366 ± 0,007
Тау	τ−	− 1⁄2 + x	x	(− 1⁄2 + x)2 + x2	3,4	3,367 ± 0,008
Хадрони (сите)					69,2	69,91 ± 0,06
Долни кваркови	d , s , b	− 1⁄2 +  1⁄3x	1⁄3x	3(− 1⁄2 +  1⁄3x)2 + 3( 1⁄3x)2	15,2	15,6 ± 0,4
Горни кваркови	u , c	1⁄2 −  2⁄3x	− 2⁄3x	3( 1⁄2 −  2⁄3x)2 + 3(− 2⁄3x)2	11,8	11,6 ± 0,6

Тука, Л и Д се ознаки за лева и десна рака chiralities на таканаречени фермиони соодветно. (На неутрина деснораките не постојат во стандардниот модел. Меѓутоа, во некои екстензии надвор од стандардниот модел што го прават.) Се користи за нотација x = sin2θW.

Поврзано

• Bose–Einstein statistics
• Boson
• List of particles
• Standard Model (mathematical formulation)
• W' and Z' bosons
• X and Y bosons: analogous pair of bosons predicted by the Grand Unified Theory