Просмотр кода страницы W- и Z-бозоны

{{Информация о частице
| цвет_фона =
| имя = W''<sup>±</sup>- и ''Z''-бозоны
| изображение = 
| заголовок = 
| символ = ''W''<sup>±</sup>, ''Z''<sup>0</sup>
| num_types = 3
| состав = [[фундаментальная частица]]
| семья = [[бозон]]
| группа = [[калибровочный бозон]]
| поколение =
| взаимодействие = [[гравитационное взаимодействие|гравитационное]]<ref>[http://elementy.ru/lib/430525 Удивительный мир внутри атомного ядра. Вопросы после лекции] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20150715202155/http://elementy.ru/lib/430525 |date=2015-07-15 }}, ФИАН, 11 сентября 2007 года</ref>, <br />[[слабое взаимодействие|слабое]], <br />для W-бозонов также [[электромагнитное взаимодействие|электромагнитное]]
| античастица             =''W''<sup>+</sup> для ''W''<sup>-</sup><br />''Z''<sup>0</sup> [[Истинно нейтральные частицы|сама себе]]
| теоретически_обоснована = [[Шелдон Глэшоу|Глэшоу]], [[Стивен Вайнберг|Вайнберг]], [[Абдус Салам|Салам]] ([[1968]])
| обнаружена = совместные эксперименты [[UA1]] и [[UA2]], [[1983]]
| масса = ''W'':<br /> 80,385±0,015&nbsp;[[ГэВ]]/[[скорость света|c]]<sup>2</sup> (2012)<ref name=pdg_W>J.Beringer ''et al''. (Particle Data Group), Phys. Rev. D86, 010001 (2012). Калибровочные бозоны, ''W''-бозон. Доступно на [http://pdglive.lbl.gov/Rsummary.brl?nodein=S043&fsizein=1 pdglive.lbl.gov]{{Недоступная ссылка|date=2018-05|bot=InternetArchiveBot }}{{ref-en}}</ref>
80,433±0.009&nbsp;[[ГэВ]]/[[скорость света|c]]<sup>2</sup> (2022)<ref>{{Cite web |url=https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781 |title=Архивированная копия |access-date=2022-04-13 |archive-date=2022-04-13 |archive-url=https://web.archive.org/web/20220413142608/https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781 |deadlink=no }}</ref>
<br /> ''Z'':<br /> 91,1876±0,0021&nbsp;[[ГэВ]]/[[скорость света|c]]<sup>2</sup><ref name=pdg_Z>J. Beringer  ''et al''. (Particle Data Group), Phys. Rev. D86, 010001 (2012). Калибровочные бозоны, ''Z''-бозон. Доступно на [http://pdglive.lbl.gov/Rsummary.brl?nodein=S044&fsizein=1 pdglive.lbl.gov] {{webarchive|url=https://archive.today/20120712165412/http://pdglive.lbl.gov/Rsummary.brl?nodein=S044&fsizein=1 |date=2012-07-12 }}{{ref-en}}</ref>
| время_жизни= ~3{{e|−25}} с <br />(ширины распада:<br />''W''-бозон 2,141 ГэВ,<br />''Z''-бозон 2,4952 ГэВ)
| каналы_распада =
| электрический_заряд = ''W'': ±1&nbsp;''[[Элементарный заряд|e]]''<br /> ''Z'': 0&nbsp;''e''
| цветовой_заряд = 0
| барионное_число         = 0
| спин = 1
| num_spin_states = 3
}}

'''''W''- и ''Z''-бозо́ны''' — [[Фундаментальная частица|фундаментальные частицы]], переносчики [[слабое взаимодействие|слабого взаимодействия]]. Их открытие ([[ЦЕРН]], [[1983]]) считается одним из главнейших успехов [[Стандартная модель|Стандартной модели]] [[физика элементарных частиц|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 ==
{{Таблица элементарных частиц|480}}
Существует два типа ''W''-бозонов — с электрическим зарядом +1 и −1 (в единицах элементарного заряда); W<sup>+</sup> является [[античастица|античастицей]] для ''W''<sup>−</sup>. ''Z''-бозон (или ''Z''<sup>0</sup>) электрически нейтрален и является античастицей сам для себя. Все три частицы очень короткоживущие, со средним временем жизни около 3{{e|−25}} секунд.

Эти [[Бозон (элементарная частица)|бозоны]] — тяжеловесы среди элементарных частиц. С массой в 80,4 и 91,2 ГэВ/c<sup>2</sup>, соответственно, ''W''<sup>±</sup>- и ''Z''<sup>0</sup>-частицы почти в 100 раз тяжелее [[протон]]а и близки к массе [[атом]]ов [[рубидий|рубидия]] и [[технеций|технеция]] соответственно. Из-за очень высокой [[Масса|массы]] эти бозоны распадаются крайне быстро после своего образования, что объясняет малый радиус действия слабого взаимодействия. [[Электромагнитное взаимодействие|Электромагнитные силы]], напротив, имеют бесконечный радиус действия, потому что их бозон-переносчик ([[фотон]]) не имеет массы, из-за чего не распадается.

Все три типа бозонов имеют [[спин]] 1.

Испускание ''W''<sup>+</sup>- или ''W''<sup>−</sup>-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|''s''-кварк]] в [[u-кварк|''u''-кварк]]. ''Z''<sup>0</sup>-бозон не может менять ни электрический заряд, ни любой другой заряд ([[странность]], [[Очарование (квантовое число)|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 ==
[[Файл:Beta Negative Decay.svg|thumb|right|280px|[[Диаграмма Фейнмана]] для [[бета-распад нейтрона|бета-распада нейтрона]] на [[протон]], [[электрон]] и [[нейтрино|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-распад]]е. Рассмотрим для примера [[бета-распад]] изотопа [[кобальт]]а Co<sup>60</sup>, важный процесс, происходящий при взрыве [[сверхновая звезда|сверхновых]]:

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

В этой реакции участвует не всё ядро Co<sup>60</sup>, а только один из его 33 [[нейтрон]]ов. Нейтрон превращается в протон, испуская [[электрон]] (называемый здесь [[бета-частица|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-кварк|''u''-кварка]] и двух [[d-кварк|''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 (физика)|аромат]] одного кварка:

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

за которым немедленно следует [[W- и Z-бозоны#Каналы распада бозонов|распад]] самого ''W<sup>−</sup>'':

: <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 нейтральные частицы|истинно нейтральной частицей]]). Следовательно, обмен ''Z''-бозоном между частицами, названный взаимодействием [[нейтральный ток|нейтральных токов]], не меняет взаимодействующие частицы. В отличие от бета-распада наблюдения взаимодействий нейтральных токов требуют таких огромных денежных вложений в [[ускоритель заряженных частиц|ускорители частиц]] и [[Детектор элементарных частиц|детекторы]], что возможны только в нескольких лабораториях [[физика высоких энергий|физики высоких энергий]] в мире.

== Предсказание ''W''- и ''Z''-бозонов ==
[[Файл:Kaon-box-diagram.svg|thumb|left|[[Диаграмма Фейнмана]], показывающая обмен парой W-бозонов. Это основная стадия процесса осцилляции нейтральных [[каон]]ов.]]
Вслед за впечатляющими успехами [[квантовая электродинамика|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 [[Шелдон Глэшоу|Шелдоном Глэшоу]], [[Стивен Вайнберг|Стивеном Вайнбергом]] и [[Абдус Салам|Абдусом Саламом]], за которую они совместно получили [[Нобелевская премия по физике|Нобелевскую премию по физике]] [[1979 год]]а<ref name=nobel79>[http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1979/index.html The Nobel Prize in Physics 1979] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20090226040152/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1979/index.html |date=2009-02-26 }}{{ref-en}}</ref>. 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 [[калибровочная теория|калибровочной теории]] должны быть безмассовыми. Так, фотон является безмассовым бозоном, поскольку [[КЭД|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 [[Питер Хиггс|Питером Хиггсом]] в конце [[1960-е|1960-х]]. Оно предсказывает существование ещё одной новой частицы — [[бозон Хиггса|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 [[Стандартная модель|Стандартной модели]] физики элементарных частиц.

== Экспериментальное открытие ''W''- и ''Z''-бозонов ==
[[Файл:CERN-20060225-24.jpg|thumb|right|250px|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 [[пузырьковая камера|пузырьковой камере]] «{{нп5|Гаргамель (детектор)|Гаргамель|en|Gargamelle}}», 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 [[Руббиа, Карло|Карло Руббиа]] и [[Мер, Симон ван дер|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 [[стохастическое охлаждение|стохастического охлаждения]], сделавшей возможным открытие ''W''- и ''Z''-бозонов). Частицы рождались в столкновении встречных пучков протонов и [[антипротон]]ов. 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<ref name=nobel84>[http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1984/ The Nobel Prize in Physics 1984] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20110407155453/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1984/ |date=2011-04-07 }}{{ref-en}}</ref> всего через полтора года после открытия, что было необычным шагом со стороны обычно консервативного Нобелевского фонда.

== Каналы распада бозонов ==
{{столбцы}}
{{столбец}}
{| class="standard"
 !colspan="2" |''W''-бозон<ref name=pdg_W /><ref name=conjug>Распады соответствующих античастиц получаются зарядовым сопряжением приведённых распадов.</ref>
 |-
 !Канал распада
 !Вероятность
 |-
 |<math>W^+ \rightarrow e^+ + \nu_e</math>
 |10,75 %
 |-
 |<math>W^+ \rightarrow \mu^+ + \nu_\mu</math>
 |10,57 %
 |-
 |<math>W^+ \rightarrow \tau^+ + \nu_\tau</math>
 |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 %<ref name=pdg_Z />.

== Рождение бозонов ==
В 2014 году [[Эксперимент ATLAS|коллаборация ATLAS]] сообщила о регистрации рождения пар W-бозонов одного электрического заряда<ref>[http://elementy.ru/LHC/news?theme=2653111&newsid=432290 Парное рождение W-бозонов: новые результаты и новые объяснения] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20140809182916/http://elementy.ru/LHC/news?theme=2653111&newsid=432290 |date=2014-08-09 }}</ref>.
==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 [[Стандартная модель|Стандартной модели]]. По их расчетам, масса W-бозона равна 80 433,5 [[МэВ]] плюс/минус всего 9,4 МэВ<ref>{{cite web |author=CDF Collaboration†‡: T. Aaltonen, S. Amerio, D. Amidei, A. Anastassov, A. Annovi, J. Antos, G. Apollinari, J. A. Appel, et al. |url=https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781 |title=High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector |lang=en |publisher=[[Science]] |date=2022-04-07 |access-date=2022-04-13 |archive-date=2022-04-12 |archive-url=https://web.archive.org/web/20220412192556/https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781 |deadlink=no }}</ref>. 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<ref>[https://hightech.plus/2022/04/08/novie-dannie-o-masse-w-bozona-stavyat-pod-somnenie-standartnuyu-model Новые данные о массе W-бозона ставят под сомнение Стандартную модель]</ref>.

== См. также ==
* [[W-бозон (частица)]]
* [[Z-бозон (частица)]]
* [[Стандартная модель]]
* [[Калибровочный бозон]]
* [[Механизм Хиггса]]
* [[Список бозонов]]

== Примечания ==
{{примечания}}

== Ссылки ==
* [http://pdg.lbl.gov/2010/listings/rpp2010-list-w-boson.pdf Сводная таблица свойств ''W''-бозона] на сайте Particle Data Group.{{ref-en}}
* [http://pdg.lbl.gov/2010/listings/rpp2010-list-z-boson.pdf Сводная таблица свойств ''Z''-бозона] на сайте Particle Data Group.{{ref-en}}
* [https://web.archive.org/web/20050416075202/http://intranet.cern.ch/Chronological/Announcements/CERNAnnouncements/2003/09-16WZSymposium/Courier/HeavyLight/Heavylight.html ''W'' и ''Z''] страница [[ЦЕРН]]а (англ)
* [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/expar.html#c4 W и Z частицы на Hyperphysics] (англ)
* [http://www.everything2.com/index.pl?node=Z%20particle Z частица на Everything2] (англ)
* [https://old.elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431545/Imennaya_chastitsa Именная частица Алексей Левин «Популярная механика» №3, 2012]

{{Частицы}}

[[Категория:Бозоны]]
[[Категория:Стандартная модель]]
[[Категория:Физика элементарных частиц]]
[[Категория:Слабое взаимодействие]]
[[Категория:Электрослабое взаимодействие]]
[[Категория:Элементарные бозоны]]