Участник:Arbnos/Написание статей/Z-бозон
| Z-бозоны (Z0) | |
|---|---|
| Состав | элементарная частица |
| Семья | бозон |
| Группа | калибровочный бозон |
| Участвует во взаимодействиях |
слабое, гравитационное |
| Античастица | сама себе |
| Кол-во типов | 1 |
| Масса | 91,1876±0,0021 ГэВ/c2[1] |
| Время жизни |
~3⋅10−25 с (ширина распада: 2,4952 ГэВ) |
| Теоретически обоснована | Глэшоу, Вайнберг, Салам (1968) |
| Обнаружена | совместные эксперименты UA1 и UA2, 1983 |
| Квантовые числа | |
| Электрический заряд | 0 e |
| Цветовой заряд | 0 |
| Барионное число | 0 |
| Спин | 1 ħ |
| Кол-во спиновых состояний | 3 |
'Z-бозо́н — элементарная частица, один из трёх переносчиков слабого взаимодействия (W- и Z-бозоны). Их открытие (ЦЕРН, 1983) считается одним из главнейших успехов Стандартной модели физики элементарных частиц.
Z-частица получила такое имя, поскольку Z-бозон имеет нулевой (Zero) электрический заряд.
Основные свойства
[править | править код]
Z-бозон (или Z0) электрически нейтрален и является античастицей сам для себя. Частица очень короткоживущая, со средним временем жизни около 3⋅10−25 секунд.
Этот 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.
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
[править | править код]W- и Z-бозоны — это частицы-переносчики слабого взаимодействия, как фотон является частицей-переносчиком для электромагнитного взаимодействия.
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
[править | править код]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[2]. 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
[править | править код]
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[3] всего через полтора года после открытия, что было необычным шагом со стороны обычно консервативного Нобелевского фонда.
Каналы распада бозона
[править | править код]Z-бозон с вероятностью 69,91 % распадается на адроны; вероятность того, что он распадётся на лептон и антилептон, составляет 10,10 %[1].
См. также
[править | править код]Примечания
[править | править код]- ↑ 1 2 J. Beringer et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D86, 010001 (2012). Калибровочные бозоны, Z-бозон. Доступно на pdglive.lbl.gov (англ.)
- ↑ The Nobel Prize in Physics 1979 (англ.)
- ↑ The Nobel Prize in Physics 1984 (англ.)
Ссылки
[править | править код]- 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)
| Фундаментальные частицы |
| ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Составные частицы |
| ||||||||||||
[[Категория:Бозоны]] [[Категория:Стандартная модель]] [[Категория:Физика элементарных частиц]] [[Категория:Слабое взаимодействие]] [[Категория:Электрослабое взаимодействие]]