Bozony W i Z — czym są i jak działają w oddziaływaniach słabych

Poznaj bozony W i Z — kluczowe cząstki elementarne odpowiedzialne za oddziaływania słabe: odkrycie, działanie i znaczenie w fizyce cząstek.

Bozony W i Z to grupa cząstek elementarnych. Są one bozonami, co oznacza, że mają spin równy 1 (są bozonami wektorowymi). Zostały odkryte w eksperymentach w 1983 roku i razem są odpowiedzialne za siłę znaną jako "słaba siła". Słaba siła nazywana jest słabą, ponieważ nie jest tak silna jak siła silna. Istnieją dwa bozony W o różnych ładunkach, zwykły W+ i jego antycząstka, W ^-. Bozony Z są swoimi własnymi antycząstkami (są neutralne).

Właściwości podstawowe

• Spin: 1 (wektorowe).
• Ładunek: W+ ma ładunek elektryczny +1e, W ^- ma −1e, Z jest neutralny.
• Masy: m(W) ≈ 80,4 GeV/c², m(Z) ≈ 91,2 GeV/c². Duże masy tych bozonów wyjaśniają krótki zasięg oddziaływań słabych.
• Czas życia i zasięg: bardzo krótki czas życia rzędu 10^−25–10^−24 s, zasięg oddziaływania około 10^−18 m.

Rola w oddziaływaniach słabych

Bozony W i Z przenoszą oddziaływania słabe. W praktyce oznacza to, że to dzięki nim zachodzą procesy zmiany smaku i ładunku cząstek, np. przemiany jednego rodzaju kwarka w inny oraz przemiany między leptami. Wprowadza się rozróżnienie:

• Oddziaływania naładowane (mediowane przez W±): prowadzą do zmiany ładunku elektrycznego i często zmiany smaku (np. rozpad β−: neutron → proton + e− + ν̄_e odbywa się przez emisję W−, który potem rozpada się na elektron i antyneutrino).
• Oddziaływania neutralne (mediowane przez Z): nie zmieniają ładunku elektrycznego; Z może oddziaływać z neutrino lub z naładowanymi fermionami bez zmiany ich typu (neutralne prądy słabe).

Cechy szczególne oddziaływań słabych

• Łamanie parzystości: oddziaływanie słabe silnie preferuje fermiony lewoskrętne (i antyfermiony prawoskrętne), co prowadzi do obserwowalnego łamania symetrii parzystości.
• Mieszanie kwarków: procesy z udziałem W± są opisywane macierzą CKM (dla kwarków), co umożliwia przejścia między generacjami.

Elektrosłaba unifikacja i mechanizm Higgsa

Bozony W i Z są nośnikami oddziaływania elektrosłabego wynikającego z symetrii gauge SU(2)_L × U(1)_Y. Po złamaniu tej symetrii przez mechanizm Higgsa trzy z bosonów gauge stają się masywne (W+, W− i Z), a jeden pozostaje bezmasowy (fotony). To właśnie oddziaływanie z polem Higgsa nadaje bozonowi W i Z dużą masę; obserwacja bozonu Higgsa w 2012 roku potwierdziła ten mechanizm.

Odkrycie i obserwacja

Bozony W i Z zostały zaobserwowane eksperymentalnie w 1983 roku w zderzeniach w akceleratorze CERN (eksperymenty UA1 i UA2). Za kluczowy wkład w odkrycie tych bozonów nagrodzono w 1984 roku Nagrodą Nobla Carlo Rubbia i Simona van der Meer. Współczesne detektory identyfikują W i Z po ich produktach rozpadu: dla W charakterystyczne są wysoki energia leptonu + brak energii (neutrino), dla Z para leptonów o sumarycznej masie bliskiej masie Z.

Przykłady procesów z udziałem W i Z

• Rozpad β−: n → p + e− + ν̄_e (mediowany przez W−).
• Reakcje neutrinowe: ν_e + n → p + e− (przez W+), lub ν_μ + e− → ν_μ + e− (przez Z, neutralny prąd).
• Rozpad bozonów: W → lν lub q q′, Z → l+l− lub q q̄ (l — lepton, q — kwark).

Podsumowując: bozony W i Z są kluczowymi nośnikami oddziaływania słabego, odpowiadającymi za procesy zmiany ładunku i smaku cząstek, krótkiego zasięgu i specyficznych własności symetrii (m.in. łamanie parzystości). Ich duże masy i rola w modelu elektrosłabym są ściśle powiązane z mechanizmem Higgsa.

Kreacja bozonów W i Z

Wiadomo, że bozony W i Z mogą powstawać tylko w wyniku rozpadu beta, który jest formą rozpadu promieniotwórczego.

Rozpad beta

Rozpad beta ma miejsce, gdy w atomie znajduje się dużo neutronów. Łatwym sposobem myślenia o neutronie jest to, że składa się on z jednego protonu i jednego elektronu. Gdy w jądrze atomu jest zbyt wiele neutronów, jeden neutron rozdzieli się i utworzy proton i elektron. Proton pozostanie tam, gdzie jest, a elektron zostanie wyrzucony z atomu z niewiarygodną prędkością. Dlatego właśnie promieniowanie beta jest szkodliwe dla człowieka.

Powyższy model nie jest do końca dokładny, gdyż zarówno protony jak i neutrony zbudowane są z trzech kwarków, które są cząstkami elementarnymi. Proton zbudowany jest z dwóch kwarków górnych (ładunek +2/3) i jednego kwarka dolnego (ładunek -1/3). Neutron zbudowany jest z jednego kwarka górnego i dwóch kwarków dolnych. W związku z tym proton ma ładunek +1, a neutron 0.

Uważa się, że siła słaba jest w stanie zmienić smak kwarka. Na przykład, kiedy zmienia ona kwark dolny w neutronie na kwark górny, ładunek neutronu staje się +1, ponieważ miałby on takie samo ułożenie kwarków jak proton. Trzykwarkowy neutron o ładunku +1 nie jest już wtedy neutronem, gdyż spełnia wszystkie warunki, aby być protonem. Dlatego rozpad beta spowoduje, że neutron stanie się protonem (wraz z kilkoma innymi produktami końcowymi).

Rozpad bozonu W

Kiedy kwark zmienia smak, jak to ma miejsce w rozpadzie beta, uwalnia bozon W. Przeciętnie bozony W trwają tylko 3x10-25 sekund, zanim rozpadną się na inne cząstki, dlatego odkryliśmy je dopiero niecałe pół wieku temu. Co zaskakujące, bozony W mają masę około 80 razy większą niż proton. Należy pamiętać, że neutron, z którego powstał, ma prawie taką samą masę jak proton. W świecie kwantowym nierzadko zdarza się, że bardziej masywna cząstka powstaje z mniej masywnej; dodatkowa masa pochodzi z energii zmagazynowanej w słynnym wzorze Einsteina, E = m c 2 {{displaystyle E=mc^{2}}}. . Po upływie 3x10-25 sekund bozon W rozpada się na jeden elektron i jedno neutrino. Ponieważ neutrina rzadko oddziałują z materią, możemy je od tej pory ignorować. Elektron zostaje wyrzucony z atomu z dużą prędkością. Proton, który powstał w wyniku rozpadu beta, pozostaje w jądrze atomu i podnosi liczbę atomową o jeden.

Rozpad bozonu Z

Bozony Z są również przewidywane w Modelu Standardowym fizyki, który z powodzeniem przewidział istnienie bozonów W. Bozony Z rozpadają się na fermion i jego antycząstkę, czyli cząstki takie jak elektrony i kwarki, które mają spin w jednostkach równych połowie zredukowanej stałej Plancka.

·         v ·         t ·         e Cząstki w fizyce
Elementarna	Fermiony Kwarki w górę w dół charm dziwny góra spód Leptony Elektron Positron Mion Tau Neutrina Bozony Przyrząd pomiarowy Foton Gluon bozony W i Z Scalar bozon Higgsa
Kompozyt	Hadrony bariony / hiperony Nukleon Proton Neutron Delta barionu barion lambda Sigma barion barion Xi Omega barion Mezony / kwarki Pion Mezon Rho Mezon Eta Eta prime Mezon Phi Mezon Omega J/ψ Mezon upsilon Mezon Theta Kaon Inne Jądra atomowe Atomy Diquarks Egzotyczne atomy Positronium Muonium Tauonium Onia Superatomy Molekuły
Hipotetyczna strona	Gravitino Gluino Axino Chargino Higgsino Neutralino Sfermion Axion Dilaton Grawiton Majoron fermion Majorany Monopol magnetyczny Tachion Sterylne neutrino

To jest diagram rozpadu beta. "udd" i "n" odnoszą się do neutronu, zbudowanego z jednego kwarka górnego i dwóch kwarków dolnych. "udu" i "p" odnoszą się do protonu, zbudowanego z dwóch kwarków górnych i jednego kwarka dolnego. W- odnosi się do bozonu W-, który rozpada się na e- (elektron) i ve z kreską nad nim (antyneutrino elektronowe). "t" odnosi się do czasu.

Pytania i odpowiedzi

P: Czym są bozony W i Z?

P: Jaki jest spin bozonów W i Z?

P: Kiedy odkryto bozony W i Z?

P: Jaką siłę wytwarzają bozony W i Z?

P: Dlaczego nazywa się ją siłą słabą?

P: Ile istnieje rodzajów bozonu W?

P: Czy istnieją antycząstki bozonu Z?

Szukaj według litery