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. 2.

Диагр. 3.

Диагр. 4.

Диагр. 5.

Диагр. 6.

Диагр. 7.

Диагр. 8.

То есть в конечном состоянии также образуются лептоны. Рассмотрим распад (1) более подробно.
Мюон μ⁻ и ν_μ принадлежат ко второму лептонному поколению. В результате распада μ⁻-мезона происходит его превращение в ν_μ. 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 ν_τ (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 m_W

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 f_1,2,3,4 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
   ν_μ + e⁻ → ν_μ + e⁻,
  _μ + e⁻ →_μ + e⁻,
   _e + e⁻ →_e + e⁻.
• Упругое рассеяние на протоне
   ν_μ + p → ν_μ + p,
  _μ + p →_μ + p.
• Реакции глубоко неупругого рассеяния на нуклоне
   ν_μ + N → ν_μ + 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⁺ + ν_e,
  W⁻ → e⁻ + _e,
Z → e⁺ + e⁻,
   Z → μ⁺ + μ⁻.

Треки оставленные W и Z бозонами.

См. также Открытие W- и Z-бозонов.

18.01.17