W-бозон

W^{±, 0}-бозон (W^{±, 0})
W±, 0-бозон (W±, 0)
Состав	фундаментальная частица
Семья	бозон
Группа	калибровочный бозон
Участвует во взаимодействиях	гравитационное, ; слабое, ; электромагнитное
Античастица	W+ для W-; W0 сам себе
Кол-во типов	3
Масса	80,385±0,015 ГэВ/c2
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
Цветной заряд	0
Барионное число	0
Спин	1 ħ
Кол-во спиновых состояний	3
Слабый гиперзаряд	0

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

Основные свойства

Мы 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.

[math]\displaystyle{ \mu^{-}\rightarrow\nu_{\mu}+W^{-}\rightarrow\nu_{\mu}+e^{-}+\bar{\nu_{e}} }[/math]

[math]\displaystyle{ n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+\bar{\nu_{e}} }[/math]

На кварковом уровне:

[math]\displaystyle{ u+2d\rightarrow 2u+d+W^{-}\rightarrow 2u+d+e^{-}+\bar{\nu_{e}} }[/math]

Предсказание

После 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 [math]\displaystyle{ SU(2) }[/math], 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

В 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

У W-бозона есть 2 основных канала распада^[2]:

Лептон и антинейтрино (электрон — 10,75 %, мюон — 10,57 %, тау — 11,25 %)
Адроны (67,6 %)

Масса

В 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 может говорить о существовании новой частицы или физики за пределами стандартной модели^[3].

См. также

Примечания

↑ Удивительный мир внутри атомного ядра. Вопросы после лекции Архивировано 15 июля 2015 года., ФИАН, 11 сентября 2007 года
↑ ^2,0 ^2,1 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

Ссылки

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

[1] Удивительный мир внутри атомного ядра. Вопросы после лекции Архивировано 15 июля 2015 года., ФИАН, 11 сентября 2007 года

[pdg_W-2] 2,0 ^2,1 J.Beringer et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D86, 010001 (2012). Калибровочные бозоны, W-бозон. Доступно на pdglive.lbl.gov (недоступная ссылка) (англ.)

[3] Новые данные о массе W-бозона ставят под сомнение Стандартную модель

[1]

[2]

[3]