Кванты слабого взаимодействия (W, Z-бозоны)

    Мюоны и тау-лептоны - нестабильные частицы. Они распадаются в результате слабого взаимодействия в другие частицы. Переносчиками слабого взаимодействия являются W+, W и Z-бозоны. Основным каналом распада мюонов является

   →  e + e + νμ (1)
 +  →  e+ + νe + μ (2)

Диагр.1
Диагр. 1.

a36_2.gif (260 bytes)
Диагр. 2.

a36_3.gif (454 bytes)
Диагр. 3.

Распад отрицательного мюона
Диагр. 4.

a36_5.gif (475 bytes)
Диагр. 5.

a36_6.gif (322 bytes)
Диагр. 6.
a36_7.gif (301 bytes)
Диагр. 7.
a36_8.gif (284 bytes)
Диагр. 8.

То есть в конечном состоянии также образуются лептоны. Рассмотрим распад (1) более подробно.
Мюон μ и νμ принадлежат ко второму лептонному поколению. В результате распада μ-мезона происходит его превращение в νμ. С помощью диаграммы Фейнмана этот процесс можно изобразить следующим образом (диагр.1). Слабое взаимодействие также как и электромагнитное передается частицей со спином s = 1. Однако, в отличие от электромагнитного взаимодействия, квант переносящий слабое взаимодействие - W-бозон является заряженным. Аналогично W-бозон образуется при превращении
τ-лептона в ντ (диагр.2). Используя кроссинг-симметрию можно нарисовать лептонные распады W-бозона (диагр. 3). Используя диаграммы (1) и (3), процесс распада отрицательного мюона можно изобразить с помощью следующей диаграммы Фейнмана (диагр. 4). Радиус слабого взаимодействия будет определяться массой W-бозона mW

R = /h/mW.c

(2)

W+-бозон является античастицей W-бозона. Распады W+-бозона аналогичные диагр. 3 показаны на диагр. 5. Таким образом обобщая диаграммы 3-5 можно нарисовать диаграмму, описывающую слабые взаимодействия лептонов (диагр. 6), в которой f1,2,3,4 обозначают фермионы, W - заряженный промежуточный бозон. Например в случае рассеяния электронного нейтрино на электроне диаграмма будет иметь вид (диагр. 7). Возникает естественный вопрос.  Возможны ли слабые процессы, в которых происходит обмен нейтральным бозоном (Z-бозоном). В этом случае аналогом процесса с обменом заряженным бозоном будет процесс без изменения электрических зарядов взаимодействующих лептонов (диагр. 8). Слабые взаимодействия с нейтральными токами (обмен Z-бозоном) экспериментально наблюдались в 1973 г. в нейтринных экспериментах на пузырьковой камере. При облучении пучками мюонных нейтрино и антинейтрино было обнаружено, что в некоторых событиях, вызванных взаимодействием нейтрино (антинейтрино) отсутствуют мюоны и наблюдается потеря импульса у наблюдаемых адронов, свидетельствующая о том, что в конечном состоянии образуется нейтрино (антинейтрино), уносящее недостающий импульс.
    Для исследования нейтральных токов изучались различные типы реакций под действием нейтрино, в которых возможно наблюдение этого канала.

  • Упругое рассеяние нейтрино на электроне
     νμ + e → νμ + e,
    μ + e μ + e,
     e + e e + e.
  • Упругое рассеяние на протоне
     νμ + p → νμ + p,
    μ + p μ + p.
  • Реакции глубоко неупругого рассеяния на нуклоне
     νμ + N → νμ + адроны,
    μ + p μ + адроны.

Однако прямым доказательством справедливости модели слабых взаимодействий с обменом промежуточными бозонами явилось прямое экспериментальное наблюдение промежуточных бозонов и измерение их характеристик. W и Z бозоны были открыты в 1983 г. в ЦЕРНе в инклюзивных реакциях

    p + W± + X,
p + Z + X.

W и Z бозоны регистрировались по каналам распада

  W+ e+ + νe,
  W e + e,
Z e+ + e,
   Z μ+ + μ.

Треки оставленные W и Z бозонами.

См. также Открытие W- и Z-бозонов.


Ядерная физика в Интернете
Содержание

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru

18.01.17