W и Z бозони: определение, свойства и роля в слабата сила

W и Z бозони: открития, свойства, заряди и роля като преносители на слабата сила — ключови за разбирането на субатомните взаимодействия.

W и Z бозоните са група елементарни частици. Те са бозони, което означава, че имат спин от 0 или 1. И двата бозона са открити при експерименти през 1983 г. Заедно те са отговорни за силата, известна като "слаба сила". Слабата сила се нарича слаба, защото не е толкова силна, колкото силната сила. Съществуват два W-бозона с различни заряди - нормалният W⁺ , и неговата античастица - W^– . Z бозоните са свои собствени античастици.

Кратко обяснение и произход

Основни свойства

• Заряд: W± носят електрически заряд ±1, Z е електрически неутрален (Z0).
• Спин: и двата са векторни бозони със спин 1.
• Маса: приблизително W ≈ 80.4 GeV/c², Z ≈ 91.2 GeV/c² — значително по-големи от масите на протона и другите лекони в Стандартния модел.
• Кратък живот: много нестабилни — типично време на разпад е от порядъка на 10⁻²⁵ s (ширината на разпада е няколко GeV).
• Взаимодействие с фермиони: W медиира заредени слаби процеси (променя вида на частиците — напр. превръща неутрон в протон при бета-разпад), Z медиира неутрални токове без смяна на електрически заряд.
• Антиматерия: W+ и W− са взаимни античастици; Z е самостоятелна античастица.

Роля в слабата сила и наблюдаване

• Заредени токове (W): Взаимодействия чрез обмен на W± променят вида (флейвъра) на фермионите — например в бета-радиоактивност един неутрон се превръща в протон чрез излъчване на W− (което впоследствие се разпада на електрон и антинейтрино).
• Неутрални токове (Z): Взаимодействия чрез Z позволяват процеси, при които зарядът не се променя, например разсейване на неутрино върху електрон или върху кварки без промяна на вида им.
• Чувствителност към лявост/дясност: Слабото взаимодействие е зарядно-веществено асиметрично — то действа различно върху ляво и дясно ориентирани (хеликсни) фермиони, което води до максикална нарушение на паритета (открито експериментално през 50-те години).
• Експериментално разпознаване: W и Z се наблюдават посредством характерните продукти от разпада им. Чести сигнатури са високоеенергийни електрони или мюони (за Z → e+e−, Z → μ+μ−) и един вид „липсващ импулс“ при разпад на W (W → eν или μν), тъй като неутриното не се детектира директно.

История и значение

Практическо значение

Кратко резюме

Създаване на W и Z бозони

Известно е, че W и Z бозоните се създават само при бета-разпад, който е форма на радиоактивен разпад.

Бета разпад

Бета-разпадът настъпва, когато в един атом има много неутрони. Опростената схема подсказва, че неутронът съответства на един протон и един електрон. Когато в ядрото на един атом има твърде много неутрони, един неутрон се разделя и образува протон и електрон. Протонът остава на мястото си, а електронът се изстрелва извън атома. Получената бета радиация е вредна за хората.

Смята се, че слабата сила може да промени вкуса на кварка. Например, когато промени низходящ кварк в неутрон в възходящ кварк, зарядът на неутрона става +1, тъй като той ще има същото подреждане на кварките като протона. След това неутронът с три кварка и заряд +1 вече не е неутрон, тъй като отговаря на всички изисквания да бъде протон. Следователно бета-разпадът ще доведе до превръщането на неутрона в протон (заедно с някои други крайни продукти).

Разпад на W бозона

Когато един кварк промени вкуса си, както става при бета разпада, той освобождава W бозон. Средно W-бозоните издържат само 3х10^-25 секунди, преди да се разпаднат на други частици, поради което не ги бяхме открили допреди по-малко от половин век. Изненадващо е, че W-бозоните имат маса около 80 пъти по-голяма от тази на протона. Имайте предвид, че неутронът, от който произлиза, има почти същата маса като протона. В квантовия свят не е необичайно по-масивна частица да произлиза от по-малко масивна частица; допълнителната маса идва от натрупаната енергия чрез известната формула на Айнщайн: E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}}. . След като изминат 3х10^-25 секунди, W-бозонът се разпада на един електрон и едно неутрино. Тъй като неутриното рядко взаимодейства с материята, отсега нататък можем да го пренебрегнем. Електронът се изхвърля от атома с висока скорост. Протонът, който се е получил при бета разпада, остава в ядрото на атома и повишава атомния номер с единица.

Разпад на Z бозона

Z-бозоните също се предвиждат в Стандартния модел на физиката, който успешно предсказва съществуването на W-бозоните. Z бозоните се разпадат на фермион и неговата античастица, които са частици като електрони и кварки, които имат спин в единици от половината на редуцираната константа на Планкса.

Частици във физиката
Елементарен	Фермиони Кварки нагоре надолу чар странно топ дъно Лептони Електрон Позитрон Муон Tau Неутрино Бозони Манометър Photon Глюон W и Z бозони Скаларен Хигс бозон
Композит	Хадрони Бариони / Хиперони Нуклеон Proton Неутрон Делта барион Ламбда барион Сигма барион Xi барион Барион Омега Мезони / Кваркония Pion Ро-мезон Ета мезон Eta prime Фи-мезон Мезон Омега J/ψ мезон упсилон Тета мезон Каон Други Атомни ядра Атоми Дикварки Екзотични атоми Позитроний Muonium Tauonium Onia Суператоми Молекули
Хипотетичен	Gravitino Gluino Axino Chargino Хигсино Neutralino Сфермион Axion Дилатон Гравитон Majoron Майорана фермион Магнитен монопол Тахион Стерилно неутрино

 
Това е диаграма на бета разпада. "udd" и "n" означават неутрон, съставен от един възходящ кварк и два низходящи кварка. "udu" и "p" означават протон, съставен от два възходящи кварка и един низходящ кварк. W– се отнася за бозона W– , който се разпада на e– (електрон) и ve с черта над него (електронно антинеутрино). "t" означава време.  

Въпроси и отговори

Въпрос: Какво представляват W и Z бозоните?

В: Какъв е спинът на W и Z бозоните?

В: Кога са открити W и Z бозоните?

В: Каква сила създават W и Z бозоните?

В: Защо се нарича слаба сила?

В: Колко вида W бозони съществуват?

В: Има ли античастици за Z бозона?

Търсене по буква