W- и Z-бозоны

W- и Z-бозоны — это элементарные частицы, являющиеся переносчиками слабого ядерного взаимодействия, одного из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе. Они относятся к классу калибровочных бозонов и играют ключевую роль в Стандартной модели физики элементарных частиц. W-бозоны существуют в двух зарядовых состояниях (W⁺ и W⁻), а Z-бозон электрически нейтрален. Их существование было предсказано в 1960-х годах в рамках теории электрослабого взаимодействия, а экспериментально открыто в 1983 году на ускорителе SPS в ЦЕРНе.

История открытия

Теоретическое предсказание

В 1960-х годах физики Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг независимо друг от друга разработали теорию, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействия в единое электрослабое. Эта теория предсказывала существование массивных калибровочных бозонов — W⁺, W⁻ и Z⁰. Однако масса этих частиц, по расчётам, должна была быть порядка 80–90 ГэВ/c², что делало их недоступными для существовавших тогда ускорителей. За создание этой теории Глэшоу, Салам и Вайнберг получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году.

Экспериментальное обнаружение

Для проверки теории требовался ускоритель с энергией столкновений, достаточной для рождения W- и Z-бозонов. Таким стал протон-антипротонный коллайдер SPS в ЦЕРНе (Женева, Швейцария), модернизированный под руководством Карло Руббиа и Симона ван дер Меера. В январе 1983 года коллаборации UA1 и UA2 объявили об обнаружении W-бозонов, а в мае-июне того же года — Z-бозонов. Массы частиц совпали с предсказаниями теории. Руббиа и ван дер Меер получили Нобелевскую премию по физике в 1984 году за это открытие.

Физические свойства

Масса и время жизни

W- и Z-бозоны являются одними из самых тяжёлых известных элементарных частиц. Их массы составляют:

• W-бозон: около 80,4 ГэВ/c² (точное значение — 80,377 ± 0,012 ГэВ/c² по данным 2022 года).
• Z-бозон: около 91,2 ГэВ/c² (точное значение — 91,1876 ± 0,0021 ГэВ/c²).

Из-за большой массы время жизни этих частиц крайне мало — порядка 10⁻²⁵ секунды. Они практически мгновенно распадаются на другие частицы.

Электрический заряд и спин

W-бозоны имеют электрический заряд +1 (W⁺) или -1 (W⁻) в единицах элементарного заряда. Z-бозон электрически нейтрален. Спин всех трёх бозонов равен 1, что относит их к векторным бозонам (частицам с целым спином, подчиняющимся статистике Бозе — Эйнштейна).

Механизм возникновения массы

Масса W- и Z-бозонов объясняется механизмом Хиггса. В рамках Стандартной модели эти частицы изначально безмассовы, но приобретают массу при взаимодействии с полем Хиггса. Этот процесс нарушает электрослабую симметрию, в результате чего W- и Z-бозоны становятся массивными, а фотон — переносчик электромагнитного взаимодействия — остаётся безмассовым. Существование бозона Хиггса было экспериментально подтверждено в 2012 году на Большом адронном коллайдере.

Роль в слабом взаимодействии

Типы слабых взаимодействий

Слабое взаимодействие, переносимое W- и Z-бозонами, отвечает за ряд ключевых процессов:

• Бета-распад ядер: нейтрон превращается в протон, испуская электрон и антинейтрино. Этот процесс осуществляется через обмен виртуальным W⁻-бозоном.
• Распад мюона: мюон распадается на электрон, мюонное нейтрино и электронное антинейтрино — также через W-бозон.
• Нейтринные взаимодействия: нейтрино, не имеющие электрического заряда, взаимодействуют с веществом только через слабое взаимодействие, обмениваясь Z-бозонами (нейтральные токи) или W-бозонами (заряженные токи).

Заряженные и нейтральные токи

Слабое взаимодействие делится на два типа:

• Заряженные токи (CC): переносятся W⁺- и W⁻-бозонами. При этом изменяется электрический заряд частиц (например, нейтрон → протон). Эти процессы меняют тип (аромат) кварков и лептонов.
• Нейтральные токи (NC): переносятся Z-бозоном. Заряд частиц не меняется, но происходит рассеяние (например, нейтрино + электрон → нейтрино + электрон). Открытие нейтральных токов в 1973 году (эксперимент Gargamelle в ЦЕРНе) стало важным подтверждением теории электрослабого взаимодействия.

Распады W- и Z-бозонов

Каналы распада W-бозона

W-бозон может распадаться на пару лептон-антинейтрино или на пару кварк-антикварк. Наиболее вероятные каналы:

• W⁺ → e⁺ + νₑ (электронное позитрон и электронное нейтрино)
• W⁺ → μ⁺ + ν_μ (мюонное позитрон и мюонное нейтрино)
• W⁺ → τ⁺ + ν_τ (тау-позитрон и тау-нейтрино)
• W⁺ → u + d̄ (верхний и нижний антикварк) — адронный распад

Аналогично для W⁻ с заменой частиц на античастицы. Полная ширина распада W-бозона составляет около 2,1 ГэВ.

Каналы распада Z-бозона

Z-бозон распадается на пары лептон-антилептон или кварк-антикварк. Основные каналы:

• Z⁰ → e⁺ + e⁻
• Z⁰ → μ⁺ + μ⁻
• Z⁰ → τ⁺ + τ⁻
• Z⁰ → ν + ν̄ (любое нейтрино и антинейтрино) — этот канал невидим для детекторов, но определяется по недостающей энергии
• Z⁰ → q + q̄ (кварк-антикварк, например, u + ū, d + d̄, s + s̄, c + c̄, b + b̄)

Полная ширина распада Z-бозона составляет около 2,5 ГэВ. Точное измерение ширин распада Z-бозона на LEP (Large Electron-Positron Collider) в ЦЕРНе (1989–2000) позволило определить число типов нейтрино — три, что подтвердило Стандартную модель.

Экспериментальное изучение

Производство на коллайдерах

W- и Z-бозоны рождаются в столкновениях частиц высоких энергий. Основные процессы:

• На адронных коллайдерах (например, Тэватрон, LHC): столкновение протонов (или протонов с антипротонами) приводит к рождению W- или Z-бозона через аннигиляцию кварка и антикварка.
• На электрон-позитронных коллайдерах (например, LEP): столкновение e⁺ и e⁻ может рождать Z-бозон (процесс e⁺e⁻ → Z⁰) или пару W⁺W⁻.

Измерение массы и свойств

Точное измерение масс W- и Z-бозонов является важной проверкой Стандартной модели. На LEP масса Z-бозона была измерена с точностью до 0,002%, а масса W-бозона — с точностью до 0,03%. На LHC (Большой адронный коллайдер) в ЦЕРНе проводятся дальнейшие уточнения, в частности, измерение массы W-бозона с помощью коллабораций ATLAS и CMS. Результаты этих измерений используются для проверки предсказаний Стандартной модели и поиска отклонений, которые могли бы указывать на новую физику.

Значение в физике

Подтверждение Стандартной модели

Открытие W- и Z-бозонов стало триумфом Стандартной модели и теории электрослабого взаимодействия. Оно подтвердило, что слабое и электромагнитное взаимодействия являются проявлениями единой силы при высоких энергиях.

Поиск новой физики

Точные измерения свойств W- и Z-бозонов (массы, ширины распада, сечения рождения) позволяют проверять Стандартную модель на высоком уровне точности. Любые расхождения с предсказаниями могут указывать на существование новых частиц или взаимодействий, выходящих за рамки Стандартной модели (например, суперсимметрии, дополнительных измерений).

Космология

Слабое взаимодействие, переносимое W- и Z-бозонами, играло ключевую роль в ранней Вселенной. В первые мгновения после Большого взрыва, при температурах выше 10¹⁵ К, электрослабая симметрия была восстановлена, и W- и Z-бозоны были безмассовыми. По мере охлаждения Вселенной произошёл фазовый переход (нарушение электрослабой симметрии), в результате которого эти бозоны приобрели массу, а электромагнитное и слабое взаимодействия разделились.

Интересные факты

• W-бозон назван в честь слабого взаимодействия (англ. weak — слабый). Z-бозон получил название от «zero» (ноль), так как он электрически нейтрален.
• Масса W-бозона примерно в 86 раз больше массы протона, а масса Z-бозона — примерно в 97 раз.
• В 2022 году коллаборация CDF (Фермилаб, США) опубликовала результат измерения массы W-бозона, который незначительно, но статистически значимо отличался от предсказаний Стандартной модели, что вызвало дискуссии о возможной новой физике. Однако последующие измерения на LHC не подтвердили этого отклонения.

Источники

• Стандартная модель физики элементарных частиц. Учебное пособие для вузов.
• Экспериментальные данные коллабораций UA1, UA2, LEP, ATLAS, CMS.
• Нобелевские лекции К. Руббиа, С. ван дер Меера, Ш. Глэшоу, А. Салама, С. Вайнберга.
• Обзоры Particle Data Group (PDG) по W- и Z-бозонам.