W ve Z bozonları - W and Z bosons

İçinde partikül fizik , W ve Z bozonları olan vektör bozonları birlikte şekilde bilinmektedir zayıf bozonları ya da daha genel olarak ara vektör bozonları . Bu temel parçacıklar zayıf etkileşime aracılık eder ; ilgili semboller
W⁺
,
W^-
, ve
Z⁰
. NS
W^±
 bozonların pozitif veya negatif elektrik yükü 1 temel yüktür ve birbirlerinin antiparçacıklarıdır . NS
Z⁰
 bozon elektriksel olarak nötrdür ve kendi antiparçacığıdır . Üç parçacığın her birinin dönüşü 1'dir.
W^±
 bozonların manyetik bir momenti vardır, ancak
Z⁰
hiçbiri yok. Bu parçacıkların üçü de çok kısa ömürlüdür ve yarılanma ömrü yaklaşık3 × 10 ^-25  sn . Deneysel keşifleri, şimdi parçacık fiziğinin Standart Modeli olarak adlandırılan şeyin kurulmasında çok önemliydi .

NS
W
 bozonlar zayıf kuvvetin adını alır . Fizikçi Steven Weinberg ek parçacık "adlı
Z
 parçacık" ve daha sonra modelin ihtiyaç duyduğu son ek parçacık olduğu açıklamasını yaptı.
W
 bozonlar zaten adlandırılmıştı ve
Z
 bozonlar sıfır elektrik yüküne sahip oldukları için adlandırıldı .

İki
W
 bozonlar, nötrino absorpsiyonunun ve emisyonunun doğrulanmış aracılarıdır . Bu süreçlerde,
W^±
 bozon yükü elektron veya pozitron emisyonunu veya absorpsiyonunu indükler, böylece nükleer transmutasyona neden olur .

NS
Z
 bozon, nötrinolar maddeden elastik olarak saçıldığında (yükü koruyan bir süreç) momentum, dönüş ve enerji transferine aracılık eder . Bu tür davranışlar, neredeyse esnek olmayan nötrino etkileşimleri kadar yaygındır ve nötrino ışınlarıyla ışınlama üzerine kabarcık odalarında gözlemlenebilir . NS
Z
 bozon, elektronların veya pozitronların absorpsiyonunda veya emisyonunda yer almaz. Ne zaman bir elektron, kinetik enerjiyle aniden hareket eden yeni bir serbest parçacık olarak gözlemlenirse, bunun bir nötrino ile elektron etkileşiminin (Z bozonu aracılığıyla momentum aktarımı ile) bir sonucu olduğu sonucuna varılır, çünkü bu davranış nötrino olduğunda daha sık meydana gelir. ışın mevcut. Bu süreçte, nötrino elektrona çarpar (bozon değişimi yoluyla) ve daha sonra ondan uzaklaşarak nötrino momentumunun bir kısmını elektrona aktarır.

Temel özellikler

Bu bozonlar, temel parçacıkların ağır ağırlıkları arasındadır. İle kitlelerin arasında80,4 GeV/ c ² ve91.2 GeV/ c ² , sırasıyla,
W
ve
Z
 bozonlar, protonun kütlesinden neredeyse 80 kat daha ağırdır - hatta tüm demir atomlarından daha ağırdır .

Yüksek kütleleri, zayıf etkileşim aralığını sınırlar. Karşılaştırma yolu ile, foton olan kuvvet taşıyıcı elektromanyetik kuvvetin ve sonsuz sayıda tutarlı sıfır kütleye sahip elektromanyetik ; varsayımsal gravitonun da sıfır kütleye sahip olması bekleniyor. ( Gluonların da sıfır kütleye sahip olduğu varsayılsa da, renk kuvvetinin aralığı farklı nedenlerle sınırlıdır; bkz. renk hapsi .)

Her üç bozonun da parçacık dönüşü s  = 1 vardır.
W⁺
veya
W^-
bozon, yayan parçacığın elektrik yükünü bir birim azaltır veya yükseltir ve ayrıca dönüşü bir birim değiştirir. Aynı zamanda, bir maddenin emisyonu veya absorpsiyonu
W^±
 bozon, parçacığın türünü değiştirebilir - örneğin, garip bir kuarkı yukarı kuark haline getirmek . Nötr Z bozonu, herhangi bir parçacığın elektrik yükünü değiştiremez ve " yükler " olarak adlandırılan ( tuhaflık , baryon sayısı , çekicilik vb.) diğerlerini de değiştiremez. emisyon veya absorpsiyon
Z⁰
 bozon sadece diğer parçacığın dönüşünü, momentumunu ve enerjisini değiştirebilir. (Ayrıca bkz . zayıf nötr akım .)

Zayıf nükleer kuvvetle ilişkiler

Feynmann diyagramı bir proton, elektron bir beta bozunması için ve elektron antineutrino üzerinden bir ara
W^-
 bozon

NS
W
ve
Z
fotonun elektromanyetik kuvvet için taşıyıcı parçacık olması gibi bozonlar da zayıf nükleer kuvvete aracılık eden taşıyıcı parçacıklardır.

W bozonları

NS
W^±
bozonlar en çok nükleer bozunmadaki rolleriyle bilinirler . Örneğin göz önünde Beta çürümesi ve kobalt-60 .

⁶⁰
₂₇ortak
→ ⁶⁰
₂₈Ni
⁺ +
e^-
+
ν
_e

Bu reaksiyon kobalt-60 çekirdeğinin tamamını içermez, 33 nötrondan sadece birini etkiler. Nötron, bir elektron ( bu bağlamda beta parçacığı olarak adlandırılır ) ve bir elektron antinötrino yayarken bir protona dönüştürülür :

n⁰
→
P⁺
+
e^-
+
ν
_e

Yine, nötron temel bir parçacık değil, bir yukarı kuark ile iki aşağı kuarkın ( udd ) bir bileşimidir . Aslında beta bozunmasında etkileşime giren aşağı kuarklardan biridir ve bir proton ( uud ) oluşturmak için yukarı kuark dönüşür . O halde en temel düzeyde, zayıf kuvvet tek bir kuarkın tadını değiştirir :

NS
→
sen
+
W^-

hemen ardından çürüme
W^-
kendisi:

W^-
→
e^-
+
ν
_e

Z bozonları

NS
Z⁰
 bozon olduğunu kendi antiparçacık . Bu nedenle, tüm lezzet kuantum sayıları ve yükleri sıfırdır. alışverişi bir
Z
Nötr akım etkileşimi olarak  adlandırılan parçacıklar arasındaki bozon , bu nedenle, bir spin ve/veya momentum transferi dışında, etkileşen parçacıkları etkilenmeden bırakır .
Z
nötrinoları içeren bozon etkileşimlerinin belirgin imzaları vardır: Nötrinoların maddede elastik saçılması için bilinen tek mekanizmayı sağlarlar ; nötrinoların elastik olarak dağılma olasılığı neredeyse
Z
 bozon değişimi) esnek olmayan (W bozon değişimi yoluyla). Zayıf nötr akımlar
Z
boson değişimi olarak Nötrinyo deneyde, kısa bir süre sonra (aynı zamanda 1973) doğrulanmıştır gargamelle kabarcık odası de CERN .

W ⁺ , W ^- ve Z ⁰ bozonlarının tahminleri

Bir çiftin değişimini gösteren bir Feynman diyagramı
W
 bozonlar. Bu, nötr Kaon salınımına katkıda bulunan önde gelen terimlerden biridir .

1950'lerde kuantum elektrodinamiğinin başarısını takiben, benzer bir zayıf nükleer kuvvet teorisi formüle etme girişimleri yapıldı. Bu, 1968'de Sheldon Glashow , Steven Weinberg ve Abdus Salam tarafından 1979 Nobel Fizik Ödülü'nü paylaştıkları birleşik bir elektromanyetizma ve zayıf etkileşimler teorisiyle doruğa ulaştı . Onların electrozayıf teori sadece öne
W
Beta bozunmasını açıklamak için gerekli bozonlar, aynı zamanda yeni bir
Z
 daha önce hiç gözlemlenmemiş bozon.

Gerçek şu ki
W
ve
Z
bozonların kütlesi varken fotonların kütlesiz olması, elektrozayıf teorisinin geliştirilmesinde büyük bir engeldi. Bu parçacıklar, bir SU(2) ayar teorisi tarafından doğru bir şekilde tanımlanır , ancak bir ayar teorisindeki bozonlar kütlesiz olmalıdır. Bir örnek olarak, foton kütlesizdir çünkü elektromanyetizma bir U(1) ayar teorisi ile tanımlanır. SU(2) simetrisini kırmak için bazı mekanizmalar gereklidir, bu da cisme kütle verir.
W
ve
Z
süreç içerisinde. Higgs mekanizması birinci ileri sürdüğü, 1964 PRL simetri kırılması kağıtları , bu rolü yerine getirmektedir. O zamandan beri Büyük Hadron Çarpıştırıcısında bulunan başka bir parçacığın, Higgs bozonunun varlığını gerektirir . Higgs alanı tarafından oluşturulan bir Goldstone bozonunun dört bileşeninden üçü,
W⁺
,
Z⁰
, ve
W^-
bozonlar kendi boyuna bileşenlerini oluşturur ve geri kalanlar spin 0 Higgs bozonu olarak görünür.

Zayıf etkileşimin SU(2) ayar teorisi, elektromanyetik etkileşim ve Higgs mekanizmasının birleşimi Glashow-Weinberg-Salam modeli olarak bilinir . Bugün, özellikle CMS ve ATLAS deneyleri tarafından 2012 yılında Higgs bozonunun keşfi göz önüne alındığında, parçacık fiziğinin Standart Modelinin temel direklerinden biri olarak kabul edilmektedir .

Model bunu tahmin ediyor
W^±
ve
Z⁰
bozonlar aşağıdaki kütlelere sahiptir:

${\displaystyle {\begin{aligned}m_{{\text{W}}^{\pm }}&={\tfrac {1}{2}}vg\\m_{{\text{Z}}^{ 0}}&={\tfrac {1}{2}}v{\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}}}\end{hizalı}}}$

SU(2) ölçü kaplini nerede , U(1) ölçü kaplini ve Higgs vakum beklenti değeridir . ${\görüntüleme stili g}$${\görüntüleme stili g'}$${\görüntüleme stili v}$

keşif

Gargamelle kabarcık odası , şimdi CERN'de sergilenen

Beta bozunmasından farklı olarak, nötrinolar dışındaki parçacıkları içeren nötr akım etkileşimlerinin gözlemlenmesi, dünyada yalnızca birkaç yüksek enerjili fizik laboratuvarında (ve daha sonra ancak 1983'ten sonra) mevcut olan gibi, parçacık hızlandırıcılara ve dedektörlere büyük yatırımlar gerektirir . Bunun nedeni ise
Z
 bozonlar, fotonlarla bir şekilde aynı şekilde davranırlar, ancak etkileşimin enerjisi, nispeten büyük kütle ile karşılaştırılabilir olana kadar önemli hale gelmezler.
Z
 bozon.

Keşfi
W
ve
Z
bozonlar CERN için büyük bir başarı olarak kabul edildi. İlk olarak, 1973'te, elektrozayıf teori tarafından tahmin edildiği gibi nötr akım etkileşimlerinin gözlemi geldi. Devasa Gargamelle baloncuk odası, görünüşte kendiliğinden hareket etmeye başlayan birkaç elektronun izlerini fotoğrafladı. Bu, görünmeyen bir elektronun değiş tokuşuyla elektronla etkileşime giren bir nötrino olarak yorumlanır.
Z
bozon. Nötrino aksi takdirde tespit edilemez, bu nedenle gözlemlenebilir tek etki, etkileşim tarafından elektrona verilen momentumdur.

Keşfi
W
ve
Z
bozonların kendileri, kendilerini üretecek kadar güçlü bir parçacık hızlandırıcının inşasını beklemek zorunda kaldılar. Kullanılabilir hale gelen bu tür ilk makine, Ocak 1983'te Carlo Rubbia ve Simon van der Meer tarafından mümkün kılınan bir dizi deney sırasında W bozonlarının açık sinyallerinin görüldüğü Süper Proton Synchrotron'du . Gerçek deneyler çağrıldı UA1 (Rubbia led) ve UA2 (öncülüğünde Pierre Darriulat ) ve birçok insanın ortak çaba idi. Van der Meer, hızlandırıcı ucundaki itici güçtü ( stokastik soğutma ). UA1 ve UA2 buldu
Z
bozon birkaç ay sonra, Mayıs 1983'te. Rubbia ve van der Meer, muhafazakar Nobel Vakfı için en sıra dışı bir adım olan 1984 Nobel Fizik Ödülü'nü derhal aldılar .

NS
W⁺
,
W^-
, ve
Z⁰
fotonla birlikte bozonlar (
y
), elektrozayıf etkileşimin dört ayar bozonunu içerir .

Çürümek

NS
W
ve
Z
bozonlar fermiyon çiftlerine bozunur ama hiçbiri
W
ne de
Z
 bozonlar, en yüksek kütleli üst kuark haline dönüşmek için yeterli enerjiye sahiptir . Faz uzayı etkilerini ve daha yüksek dereceli düzeltmeleri ihmal ederek, bunların dallanma kesirlerinin basit tahminleri , kuplaj sabitlerinden hesaplanabilir .

W bozonları

W
bozonlar , bir lepton ve antileptona (biri yüklü ve diğeri nötr) veya tamamlayıcı tipte bir kuark ve antikuark'a (zıt elektrik yükleriyle ±+1 ⁄ 3 ve ∓+2 ⁄ 3 ). Bozunum genişliği bir kuark-antikuark çiftine B bozonun mukabil karesi ile orantılıdır CKM matrisi elemanı ve kuark sayısı renk , N _C = 3. W ⁺  bozonununbozunma genişliklerişu şekilde orantılıdır:

leptonlar		kuarklar
e+ ν e	1	sen NS	3 ${\displaystyle |V_{\text{ud}}|^{2}}$	sen s	3 ${\displaystyle |V_{\text{us}}|^{2}}$	sen B	3 ${\displaystyle |V_{\text{ub}}|^{2}}$
μ+ ν μ	1	C NS	3 ${\displaystyle |V_{\text{cd}}|^{2}}$	C s	3 ${\displaystyle |V_{\text{cs}}|^{2}}$	C B	3 ${\displaystyle |V_{\text{cb}}|^{2}}$
τ+ ν τ	1	çürümek T enerji tasarrufu tarafından izin verilmez

Buraya,
e⁺
,
μ⁺
,
τ⁺
leptonların üç çeşidini ifade eder (daha doğrusu pozitif yüklü antileptonlar ).
ν
_e ,
ν
_μ ,
ν
_τ nötrinoların üç çeşidini ifade eder. ile başlayan diğer parçacıklar
sen
ve
NS
, tümü kuarkları ve antikuarkları belirtir (faktör N _C uygulanır). Çeşitli karşılık gelen CKM matris katsayılarını belirtir . ${\displaystyle \,V_{ij}\,}$

CKM matrisinin üniterliği , böylece iki kuark sırasının her birinin toplamının 3 olduğu anlamına gelir . Bu nedenle, W bozonunun leptonik dallanma oranları yaklaşık olarak${\displaystyle ~|V_{\text{ud}}|^{2}+|V_{\text{us}}|^{2}+|V_{\text{ub}}|^{2}~= ~}$ ${\displaystyle ~|V_{\text{cd}}|^{2}+|V_{\text{cs}}|^{2}+|V_{\text{cb}}|^{2}=1 ~,}$${\displaystyle \,B(\mathrm {e} ^{+}\mathrm {\nu } _{\mathrm {e} })=\,}$${\displaystyle \,B(\mathrm {\mu } ^{+}\mathrm {\nu } _{\mathrm {\mu } })=\,}$${\displaystyle \,B(\mathrm {\tau } ^{+}\mathrm {\nu } _{\mathrm {\tau } })=\,}$ 1/9 Hadronik dallanma oranı, CKM tarafından tercih edilen
sen

NS
ve
C

s
son haller. Hadronik dallanma oranlarının toplamı deneysel olarak ölçülmüştür.67,60 ± 0,27 ile${\displaystyle \,B(\ell ^{+}\mathrm {\nu } _{\ell })=\,}$ % 10.80 ± %0.09 .

Z ⁰ bozonu

Z
bozonlar bir fermiyon ve onun antiparçacığına bozunurlar. olarak
Z⁰
 bozon, simetri öncesi kırılmanın bir karışımıdır.
W⁰
ve
B⁰
bozonlar (bakınız zayıf karıştırma açısı ), her köşe faktörü bir faktör içeren üçüncü bileşeni olan zayıf izospin , Fermiyon (zayıf kuvvet için "yük") olarak bir elektrik yükü birimleriyle Fermiyon arasında ( elementer yük ) ve bir zayıf karıştırma açısı . Zayıf izospin , ister sol ister sağ olsun , farklı kiraliteye sahip fermiyonlar için farklı olduğundan, eşleşme de farklıdır. ${\displaystyle ~T_{3}-Q\sin ^{2}\,\theta _{\text{W}}~,}$${\görüntüleme stili \,T_{3}\,}$${\görüntüleme stili \,Q\,}$${\displaystyle \;\theta _{\metin{W}}\;}$${\görüntüleme stili (\,T_{3}\,)}$

Göreceli olan her bir bağlantının güçlü olduğunu dikkate alarak tahmin edilebilir bozunma oranları bu faktörlerin kare içerir ve tüm olası diyagramları (örn kuark aileleri üzerinde toplamak ve sol ve sağ katkıları). Aşağıda tablolanan sonuçlar sadece tahmindir, çünkü bunlar Fermi teorisinde yalnızca ağaç düzeyinde etkileşim diyagramlarını içerir .

parçacıklar		zayıf izospin ${\görüntüleme stili (\,T_{3}\,)}$		göreceli faktör	dallanma oranı
İsim	Semboller	L	r		x  = 0.23 için tahmin edildi	deneysel ölçümler
nötrinolar (tümü)	ν e, ν μ, ν τ	1/2	0	${\displaystyle \,3({\tfrac {1}{2}})^{2}\,}$	%20,5	20,00 ± %0,06
Yüklü leptonlar (tümü)	e- , μ- , τ-			${\displaystyle \,3(-{\tfrac {1}{2}}+x)^{2}+3x^{2}\,}$	%10,2	10.097 ± 0.003%
Elektron	e-	${\displaystyle \,-{\tfrac {1}{2}}+x\,}$	x	${\displaystyle \,(-{\tfrac {1}{2}}+x)^{2}+x^{2}\,}$	%3.4	3.363 ± %0.004
müon	μ-	-1/2+ x	x	(-1/2+ x ) 2 + x 2	%3.4	3,366 ± %0,007
Tau	τ-	-1/2+ x	x	(-1/2+ x ) 2 + x 2	%3.4	3,367 ± %0,008
Hadronlar ( * hariç T )					%69.2	% 69,91 ± %0,06
Aşağı tip kuarklar	NS , s , B	-1/2 + 1/3x	1/3x	3 (-1/2 + 1/3x ) 2 + 3 (1/3x ) 2	%15.2	15.6 ± 0.4%
yukarı tip kuarklar	sen , C	1/2 - 2/3x	-2/3x	3 (1/2 - 2/3x ) 2 + 3 (-2/3x ) 2	%11.8	% 11,6 ± %0,6

Notasyonu küçük tutmak için tablo şunları kullanır: ${\displaystyle ~x=\sin ^{2}\,\theta _{\text{W}}~.}$

Burada L ve R , sırasıyla fermiyonların ya sol ya da sağ elli kiralitesini gösterir.

* Bir üst kuark -antikuark çiftine imkansız bozunma tablonun dışında bırakılır. kütlesi
T
kuark artı bir
T
kütlesinden büyüktür
Z
bozon, bu nedenle bozunmak için yeterli enerjiye sahip değildir.
T

T
kuark çifti.

2018'de CMS işbirliği, Z bozonunun bir ψ mezon ve bir lepton -antilepton çiftine ilk özel bozunmasını gözlemledi .

Ayrıca bakınız

• Bose–Einstein istatistikleri  – Bozonların davranışlarının açıklaması
• Parçacıkların listesi
• Standart Modelin matematiksel formülasyonu  – Parçacık fiziği modelinin matematiği
• Zayıf şarj
• W' ve Z' bozonları  – Standart Modelin elektrozayıf simetrisinin uzantılarından kaynaklanan varsayımsal ayar bozonları
• X ve Y bozonları : Büyük Birleşik Teori tarafından tahmin edilen benzer bozon çifti
• ZZ diboson

Dipnotlar

Referanslar

Dış bağlantılar

• İlgili Medya W ve Z bozonu Wikimedia Commons
• Parçacık Fiziğinin Gözden Geçirilmesi , parçacık özellikleri hakkında nihai bilgi kaynağı.
• W ve Z parçacıkları: Pierre Darriulat'ın kişisel bir hatırası
• CERN , Daniel Denegri tarafından alfabenin sonunu gördüğünde
• Hiperfizikte W ve Z parçacıkları