|
В [[фізика|фізиці]] '''W- і Z -бозони''' — елементарні частинки, що переносять [[слабка взаємодія|слабку взаємодію]]. Їх відкриття [[1983]] року в [[ЦЕРН|ЦЕРНі]]і вважають одним з найголовніших успіхів [[Стандартна модель|Стандартної моделі]] [[фізика елементарних частинок|фізики елементарних частинок]]. W -частинку названо за першою літерою англійської назви слабкої взаємодії ('''Weak'''). Іноді напівжартома кажуть, що Z -частинка отримала таку назву, оскільки мала б стати останньою частинкою, яку взагалі потрібно відкрити. ('''Z''' — остання буква латинського алфавіту). Інше пояснення полягає в тому, що назва походить від того факту, що Z -бозон має нульовий ('''Zero''') [[електричний заряд]].
== Основні властивості ==
Існує два типи W -бозонів — з [[електричний заряд|електричним зарядом]] +1 і -1−1 (в одиницях [[елементарний електричний заряд|елементарного заряду]]); W<sup>+</sup> є [[античастинка|античастинкою]] для W<sup>−</sup>. Z -бозон (або Z<sup>0</sup>) електрично нейтральний і є античасткою сам для себе. Всі три частинки дуже короткоживучі, із середнім [[час життя|часом життя]] близько 3 • 10<sup>−25</sup> секунд.
Ці [[бозон|бозони]] и — «важкоатлети» серед елементарних частинок. З масою в 80,4 та 91,2 Г[[еВ]]/c<sup>2</sup>, відповідно, W- і Z<sup>0</sup> -частинки майже в 100 разів масивніші [[протон|протона]] а — і навіть масивніші [[атом|атомів]]ів [[залізо|заліза]]. [[Маса]] цих бозонів дуже важлива для розуміння слабкої взаємодії, оскільки обмежує радіус дії слабкої взаємодії.
[[Електромагнітна взаємодія|Електромагнітні сили]], навпаки, мають нескінченний радіус дії, тому що їх бозон-переносник ([[фотон]]) не має маси.
Всі три бозони мають [[спін]] 1.
Розпад частинки з утворенням W<sup>+</sup> або W<sup>−</sup> -[[бозон|бозона]]а може або підвищити, або знизити електричний заряд частинки, що його випромінює, на 1 одиницю і змінити спін на 1 одиницю. В той же час W -бозон може змінювати покоління частинки, наприклад, перетворювати [[s-кварк|'''s'''-кварк]] в [[u-кварк|'''u'''-кварк]]. Z<sup>0</sup> -[[бозон]] не може змінювати ні електричний заряд, ні будь-який інший заряд ([[дивність]], чарівність і т. д.) — лише спін та імпульс, отже він ніколи не змінює покоління чи аромат частинки, що випромінює його (див. ''[[слабкий нейтральний струм]]'').
== Слабка взаємодія ==
W- і Z -бозони — це частинки-переносники, які переносять слабку взаємодію, як фотон є частинкою-переносником для електромагнітної взаємодії. Відомо, що W -бозон відіграє важливу роль у [[радіоактивний розпад|ядерному розпаді]]. Розглянемо для прикладу [[бета-розпад]] ізотопу [[кобальт|кобальта]]а Co<sup>60</sup>, важливий процес, що відбувається під час вибухів [[наднова|наднових]]:
: <math>{}^{60}_{27}\hbox{Co}\to{}^{60}_{28}\hbox{Ni}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e</math>
В цій реакції бере участь не все ядро Co<sup>60</sup>, а лише один з 33 його [[нейтрон|нейтронів]]ів. Нейтрон перетворюється на протон, випромінюючи [[електрон]] (який називається тут [[бета-частинка|бета-частинкою]]) і [[антинейтрино]]:
: <math>\hbox{n}\to \hbox{p}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e</math>
Знову ж таки, сам нейтрон не є елементарною частинкою, а є складною частинкою, що складається з [[u-кварк|u-кварка]]а і двох [[d-кварк|d-кварків]]ів (udd). Отже, насправді в бета-розпаді бере участь один з d-кварків, який перетворюється на u-кварк, щоб сформувати протон (uud). Отже, на найфундаментальнішому рівні слабка взаємодія просто змінює [[аромат (квантове число)|аромат]] одного кварка:
: <math>\hbox{d}\to\hbox{u}+\hbox{W}^- \,</math>
: <math>\hbox{W}^-\to\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e</math>
Всі квантові числа Z -бозона дорівнюють нулю, оскільки він є античастинкою сам для себе. Отже, обмін Z -бозоном між частинками, який називають ''взаємодією [[нейтральний струм|нейтральних струмів]]'', не змінює частинки, котрі взаємодіють, за винятком передачі [[імпульс|імпульсу]]у. На відміну від бета-розпаду, спостереження взаємодій нейтральних струмів вимагають таких величезних грошових вкладень у [[прискорювач елементарних частинок|прискорювачі елементарних частинок]] і [[детектор|детектори]]и, що можливі лише в декількох лабораторіях [[фізика високих енергій|фізики високих енергій]] у світі.
== Передбачення W- і Z -бозонів ==
Після вражаючих успіхів [[квантова електродинаміка|квантової електродинаміки]] в 1950-х робилися спроби побудувати схожу теорію для слабкої взаємодії. Це вдалося зробити [[1968]] року шляхом побудови загальної теорії електромагнетизму і слабких взаємодій [[Шелдон Лі Ґлешоу|Шелдоном Глешоу]], [[Стівен Вайнберг|Стівеном Вайнбергом]] і [[Абдус Салам|Абдусом Саламом]], за яку вони разом отримали [[Нобелівська премія з фізики|Нобелівську премію з фізики]] за [[1979]]<ref>[http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1979/index.html Лауреати Нобелівської премії]</ref>. Їх
[[електрослабка взаємодія|теорія електрослабкої взаємодії]] передбачила не лише W-бозон, необхідний для пояснення бета-розпаду, але також і новий Z-бозон, який до цього ніколи не спостерігався.
Той факт, що W- і Z -бозони мають масу, тоді як фотон маси не має, був основною перешкодою для розвитку теорії електрослабкої взаємодії. Ці частинки точно описуються калібрувальною симетрією [[SU(n)|SU(2)]], але бозони в [[калібрувальна теорія|калібрувальній теорії]] мають бути безмасовими. Так фотон є безмасовим бозоном, оскільки електромагнетизм описується калібрувальною симетрією U(1). Необхідний деякий механізм, який би порушував симетрію SU(2), в процесі надаючи масу W- і Z -бозонам. Одне пояснення, [[механізм Хігса]], було запропоновано [[Пітер Хігс|Пітером Хігсом]] наприкінці 1960-х. Воно передбачає існування ще однієї нової частинки — [[бозон Хігса|бозона Хігса]].
Поєднання калібрувальної теорії SU(2) слабкої взаємодії, електромагнітної взаємодії і механізму Хігса відоме як модель Глешоу-Вайнберга-Салама. Зараз це один зі стовпів Стандартної моделі фізики елементарних частинок. На [[2006]] рік єдиний прогноз Стандартної моделі, який експериментально не підтверджено — це існування бозона Хігса.
== Експериментальне відкриття W- і Z -бозонів ==
Відкриття W- і Z -бозонів — одна з найуспішніших сторінок історії ЦЕРНу. Спочатку, 1973 року, здійснювалося спостереження взаємодій нейтральних струмів, передбачених теорією електрослабкої взаємодії. У величезній [[бульбашкова камера|бульбашковій камері]] «[[Гаргамелла]]» було сфотографовано треки декількох електронів, які раптово починали рухатися, здавалося б, самі собою. Це явище було інтерпретовано як взаємодія [[нейтрино]] і електрона за допомогою обміну невидимим Z -бозоном. Нейтрино також дуже важко детектувати, так що єдиним спостережуваним ефектом є імпульс, отриманий електроном після взаємодії.
Відкриття самих W- і Z -бозонів довелося чекати, поки не стало можливим побудувати прискорювачі, достатньо могутні, щоб створити їх. Першою такою машиною став [[Супер-Протон-синхротрон]], на якому було отримано недвозначні докази існування W бозонів у серіях експериментів, здійснених [[Карло Рубіа]] і [[Симон ван дер Меєр|Симоном ван дер Меєр]]. (Насправді експерименти називалися [[UA1]] (під керівництвом Рубіа) і [[UA2]], і були спільною працею багатьох людей. Ван дер Меєр був керівником робіт на кінці прискорювача, виконуючи [[стохастичне охолодження]]).) UA1 і UA2 знайшли Z -бозон через декілька місяців, у травні 1983 року. Рубіа і Ван дер Меєра було майже одразу нагороджено Нобелівською премією з фізики за 1984<ref>[http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1984/ Нобелівська премія за 1984]</ref>, що було доволі незвичайним кроком для консервативної Нобелівської фундації.
== Див. також ==
== Посилання ==
* [http://pdg.lbl.gov/ Review Particle Physics], Основне джерело інформації про властивостяівластивості елементарних частинок (англ).
* [http://intranet.cern.ch/Chronological/Announcements/CERNAnnouncements/2003/09-16WZSymposium/Courier/HeavyLight/Heavylight.html Сторінка про W- і Z-бозони] сторінка [[ЦЕРН|ЦЕРНу]]у (англ)
* [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/expar.html#c4 W- і Z -частинки на Hyperphysics] (англ)
* [http://www.everything2.com/index.pl?node=Z%20particle Z -частинка на Everything2] (англ)
== Посилання в тексті ==
| 