Промежуточные бозоны

    Электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие можно описать с помощью обмена квантами соответствующих полей - фотонами (γ-квантами) и глюонами. Фотоны и глюоны являются калибровочными бозонами электромагнитного и сильного полей.
    Слабое взаимодействие также обусловлено обменом тяжелыми заряженными бозонами W+ и W и нейтральным бозоном Z со спином 1. Распад нейтрона

n → p + e + aneutrino.gif (62 bytes)e

Диаграмма распада d-кварка

на кварковом уровне выглядит как бы проходящим в два этапа. На первом этапе происходит превращение d-кварка в u-кварк и W-бозон

d → u + W

на втором W --бозон распадается, превращаясь в электрон и антинейтрино

W →  e + aneutrino.gif (62 bytes)e.

    В стандартной модели, развитой в работах С. Вайнберга, А. Салама и Ш. Глэшоу, W, W+, Z0-бозоны и
гамма-квант являются квантами единого электрослабого поля. Стандартная модель, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействия, предсказывает связь между константами электромагнитного и слабого взаимодействий и соотношение между массами заряженных и нейтральных бозонов:

, ,

где thetaW - угол Вайнберга. Извлеченная из экспериментов величина sin2 thetaW = 0.23.
    Полученные экспериментально значения масс бозонов (mэксп(W±) = (80.419 + 0.056) ГэВ, mэксп(Z) = (91.1882 + 0.0022) ГэВ) находились в очень хорошем согласии со стандартной теорией.(Между открытием нейтральных токов и наблюдением векторных бозонов прошло 10 лет.)
По аналогии с сильным взаимодействием члены одного семейства, порождаемые W или W+-бозоном объединяются в слабые левоспиральные изоспиновые дублеты

и

со слабым изоспином T = 1/2, которым приписываются значения T3 = +1/2 (e,u) и T3 = -1/2 (e,d). У антифермионов проекции слабого изоспина имеют противоположные знаки.
Слабые взаимодействия с изменением заряда (заряженные токи) описываются состояниями |T = 1, T3 = +1> и |T = 1, T3 = -1>. Они происходят с испусканием или поглощением W или W+-бозонов. Слабые процессы с участием Z-бозона были названы процессами с нейтральными слабыми токами.
    В стандартной модели лептоны и кварки группируются в левоспиральные дублеты - поколения.

1 поколение 2 поколение 3 поколение

Заряженные токи в лептонных процессах получаются при движении по столбцам. Заряженные токи в процессах с кварками возможны не только при движении по столбцам, но и между поколениями, т.е. слабое взаимодействие смешивает кварки. Изменения аромата кварков происходит только с помощью заряженных токов. Нейтральные токи аромата кварков не изменяют.

    W±, Z - искали в реакциях столкновения протонов и антипротонов

 antiprot  + p → W± + X,

(1)

antiprot  + p → Z + X.

    Энергии встречных пучков 2*270 Гэв.
    W±, Z-бозоны образуются в результате взаимодействия одного из кварков протона с антикварком антипротона

u + → W+ u +  → Z

(2)

 + d → W  d + → Z 

    Полное сечение взаимодействия протонов с антипротонами при энергии сталкивающихся частиц 2·270 Гэв составляет почти 60 мбарн. В то время как сечение реакции (1) составляет 10-8 от полного сечения. То есть W± бозоны нужно было обнаруживать на фоне -10-8 посторонних частиц.
    Для надёжного выделения W±, Z бозонов на уровне такого высокого фона адронов было использовано то обстоятельство, что W±, Z бозоны могут распадаться с испусканием лептонов. Тогда событие (1) можно идентифицировать следующим образом. В точке взаимодействия  pantiprot в направлении   перпендикулярном пучку должны вылетать электроны, имеющие энергию  > 15 Гэв.
    Восстановление полной кинематики событий позволило определить массу W± бозона
    Современные значения характеристик W±, Z бозонов приведены в таблице.

Тип
частиц
Электри-
ческий
заряд
Масса,
Гэв
Ширина, Гэв Моды распада  %
W± +1(-1) 80.419 + 0.056 2.12 + 0.05

e+ ν 10.7 %
μ+ ν 10.5 %
τ+ ν 10.4 %
адроны 68.5 %

Z 0 91.1882 +0.00022 2.4952

e+ e 3.4 %  
μ+μ 3.4 %
τ+τ 3.4 %
адроны 70 %
не видно 20 %

    Z-бозоны идентифицировались по их схемам распада.

Z → e+ e
Z → μ+μ-

    Полным ширинам W±, Z бозонов соответствуют времена жизни τ = ћ/Г ≈ 3·10-25 с.
    Величина характерного радиуса слабого взаимодействия  R, переносимого W±, Z бозонами
    R = splank.gif (65 bytes)/(Mwc) ≈ 2·10-16 см.

Подробнее


Ядерная физика в Интернете
Содержание

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru