W-бозон — фундаментальная частица-переносчик слабого взаимодействия. Название происходит от первой буквы английского слова Weak (слабый). Его открытие в 1983 году в ЦЕРНе считается одним из самых главных успехов стандартной модели.
| W±, 0-бозон (W±, 0) | |
|---|---|
 | |
| Состав | фундаментальная частица |
| Семья | бозон |
| Группа | калибровочный бозон |
| Участвует во взаимодействиях |
гравитационное[1], слабое, электромагнитное |
| Античастица |
W+ для W- W0 сам себе |
| Кол-во типов | 3 |
| Масса | 80,385±0,015 ГэВ/c2[2] |
| Время жизни | ~3⋅10−25 с |
| Теоретически обоснована | Глэшоу, Вайнберг, Салам (1968) |
| Обнаружена | совместные эксперименты UA1 и UA2, 1983 |
| Квантовые числа | |
| Электрический заряд |
W±: ±1 e W0: 0 |
| Цветовой заряд | 0 |
| Барионное число | 0 |
| Спин | 1 ħ |
| Кол-во спиновых состояний | 3 |
| Слабый гиперзаряд | 0 |
Основные свойства
правитьМы можем наблюдать 2 основных типа W-бозона — с положительным и отрицательным электрическим зарядом. Однако теорией электрослабого взаимодействия предсказывается 3 W-бозона — с положительным электрическим зарядом, с отрицательным и нулевым, но невозможно наблюдать нейтральный бозон напрямую, потому что, смешиваясь с B-бозоном, он образует фотон и Z-бозон.
Масса W-бозона почти в 85 раз больше, чем масса протона, и примерно равна 80,4 ГэВ/c2. Масса бозона очень важна для понимания слабого взаимодействия, потому что большая масса ограничивает радиус воздействия.
Ввиду наличия у бозона электрического заряда он может изменять ароматы и поколения кварков, а также превращать лептоны в соответствующие антинейтрино и обратно. Именно это свойство делает возможными бета-распад нейтрона, распад мюона и тау, а также распад тяжёлых кварков.
На кварковом уровне:
Предсказание
правитьПосле успехов КЭД в предсказании электромагнетизма начали предприниматься попытки построения похожей теории для слабого взаимодействия. Удалось получить теорию электрослабого взаимодействия, которая объясняла как слабое, так и электромагнитное взаимодействие. Теория была создана Стивеном Вайнбергом, Шелдоном Глэшоу и Абдусом Саламом, за которую все трое совместно получили Нобелевскую премию по физике 1979 года. Теория предсказывала не только W-бозоны, которые регулировали бета-распад, но ещё и неоткрытый на тот момент Z-бозон.
Единственной проблемой теории оставались массы бозонов — их поведение полностью описывалось группой , но в ней частицы обязаны быть безмассовыми. Это означало, что должен существовать некоторый механизм, нарушающий симметрию и придающий массу. Этот механизм известен как механизм Хиггса, а частица, которая его регулирует, называется бозон Хиггса.
Открытие
правитьВ 1973 году производились наблюдения взаимодействий между электроном и нейтрино, предсказанных теорией электрослабого взаимодействия. В огромной пузырьковой камере «Гаргамель», облучаемой пучком нейтрино от ускорителя, наблюдали треки электронов, которые внезапно начинали двигаться. 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.
Наблюдать бозоны напрямую удалось только с появлением мощных ускорителей. Первым из таких стал Супер-протонный синхротрон (SPS) с детекторами UA1 и UA2, на котором в результате серии экспериментов, проведённых под руководством Карло Руббиа и Симона ван дер Мера, было доказано существование W-бозона. Частицы рождались в столкновениях встречных пучков протонов и антипротонов. Руббиа и Ван дер Мер были награждены Нобелевской премией по физике 1984 года всего через полтора года после открытия, что было необычным шагом со стороны обычно консервативного Нобелевского фонда.
Распад
правитьУ W-бозона есть 2 основных канала распада[2]:
- Лептон и антинейтрино (электрон — 10,75 %, мюон — 10,57 %, тау — 11,25 %)
- Адроны (67,6 %)
Масса
правитьВ 2022 году коллаборация физиков из Фермилаб после десяти лет исследований получила новые данные о массе W-бозона, которые существенно расходились со стандартной моделью. По их расчётам, масса W-бозона равна 80 433,5±9,4 МэВ в то время, как стандартная модель предсказывает массу всего лишь 80 357±6 МэВ. Эти значения отличаются друг от друга на семь стандартных отклонений. Подтверждение этих данных могло бы говорить о существовании новой частицы или физики за пределами стандартной модели[3][4]. Однако в 2023 году эксперимент ATLAS выпустил улучшенное измерение массы W-бозона, 80 360 ± 16 МэВ, что согласуется с предсказаниями Стандартной модели[5][6][7].
См. также
правитьПримечания
править- ↑ Удивительный мир внутри атомного ядра. Вопросы после лекции Архивировано 15 июля 2015 года., ФИАН, 11 сентября 2007 года
- ↑ 1 2 J.Beringer et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D86, 010001 (2012). Калибровочные бозоны, W-бозон. Доступно на pdglive.lbl.gov (недоступная ссылка) (англ.)
- ↑ Новые данные о массе W-бозона ставят под сомнение Стандартную модель
- ↑ Алексей Понятов Десять значимых событий 2022 года в астрономии и физике 6. Слишком тяжёлый бозон Архивная копия от 12 февраля 2023 на Wayback Machine // Наука и жизнь, 2023, № 2. — с. 33 — 34
- ↑ Ouellette, Jennifer New value for W boson mass dims 2022 hints of physics beyond Standard Model (амер. англ.). Ars Technica (24 марта 2023). Дата обращения: 26 марта 2023. Архивировано 11 мая 2023 года.
- ↑ Improved W boson Mass Measurement using $\sqrt{s}=7$ TeV Proton-Proton Collisions with the ATLAS Detector. ATLAS experiment. CERN (22 марта 2023). Дата обращения: 26 марта 2023.
- ↑ New ATLAS result weighs in on the W boson | ATLAS Experiment at CERN. Дата обращения: 29 апреля 2023. Архивировано 29 апреля 2023 года.
Ссылки
править- Сводная таблица свойств W-бозона на сайте Particle Data Group. (англ.)
- W и Z страница ЦЕРНа (англ)
- W и Z частицы на Hyperphysics (англ)
- Именная частица Алексей Левин «Популярная механика» № 3, 2012