3. Рождение W и Z-бозонов

    Процессы, происходящие при соударениях частиц высоких энергий, могут быть упругими или неупругими. В упругих процессах происходит обмен импульсом (энергией) между сталкивающимися частицами, при этом не происходит изменения внутренней структуры сталкивающихся частиц. В неупругих процессах происходит образование новых частиц. Для протонов с импульсами выше
1 ГэВ/с возможны как упругие, так и неупругие процессы. Вклад неупругих процессов в полное сечение взаимодействия быстро растёт с увеличением энергии взаимодействия. Доля упругого рассеяния уменьшается до 7% для протонов с импульсом 100 ГэВ/с и далее практически не изменяется при увеличении импульсов сталкивающихся частиц. Таким образом, неупругие соударения являются основным взаимодействием протонов высоких энергий.
    Рожденные в неупругих соударениях частицы, в основном, являются пионами. Странные частицы и барион-антибарионные пары имеют на один или два порядка меньшую вероятность образования. Образование адронов, содержащих с- и b-кварки, происходит с еще меньшей вероятностью порядка 10^-3-10^-5. Для t-кварка эта вероятность еще меньше.

    При анализе характера взаимодействия обычно импульсы вторичных частиц раскладывают на поперечную и продольную компоненты относительно направления сталкивающихся частиц. Величина поперечного импульса вторичных частиц характеризует величину импульса, переданного частице в процессе взаимодействия. Процессы неупругого взаимодействия с рождением частиц с малыми поперечными импульсами ( = 0.4 ГэВ/с) относятся к "мягким" взаимодействиям. Вторичные частицы с поперечными импульсами свыше 1 ГэВ/с возникают в "жестких" соударениях, т.е. когда в процессе взаимодействия происходят большие передачи импульса.
    Как известно, кварки в свободном состоянии не наблюдаются. Если в процессах взаимодействия элементарных частиц рождается кварк-антикварковая пара, то каждый из кварков сразу подхватывает себе партнера из "моря" и образует адрон. Обычно, энергии каждого из кварков хватает на образование не одного, а нескольких адронов. Эти адроны имеют суммарный импульс, равный импульсу породившего их кварка, и движутся в узком конусе в направлении, в котором летел породивший их кварк. Такую группу адронов называют струей (jet). Кварки, образованные в жестких соударениях, обычно порождают струи частиц.

Рис. 6. Диаграмма образования двухструйного события.

    На рис. 6 показана диаграмма образования двухструйного события. На первом этапе при аннигиляции электрона и позитрона рождается виртуальный фотон, то есть такой фотон, для которого не выполняется равенство между квадратом его энергии и квадратом его импульса. На втором этапе виртуальный фотон распадается на кварк-антикварковую пару.
    Темный овал на рисунке соответствует процессу рождения кварком и антикварком множества адронов. Финальная стадия процесса изображена в виде двух адронных струй (jet). В адронные струи могут входить как заряженные, так и нейтральные частицы.

Рис. 7. Диаграммы образования Z-бозонов.

    В жестких соударениях, наряду со всеми другими процессами, происходит образование промежуточных Z-бозонов. Диаграммы этих процессов показаны на рис. 7. Первая диаграмма отвечает аннигиляции кварка и антикварка в Z-бозон. Она аналогична левой части диаграммы рис. 6 для аннигиляции электрон-позитронной пары в фотон. В таком процессе при определенном подборе энергий сталкивающихся кварков Z-бозон может быть реальной, а не виртуальной частицей.
    Две другие диаграммы описывают процесс образования Z-бозона с дополнительным излучением глюона при столкновении кварка и антикварка и процесс совместного образования Z-бозона и кварка при слиянии кварка и глюона. При высоких энергиях все три диаграммы дают примерно одинаковый вклад в сечение рождения Z-бозонов.

Рис. 8. Диаграмма рождения Z-бозонов в p столкновениях

    Впервые Z-бозоны наблюдались в 1983 году на ускорителе SppS CERN при столкновении пучков протонов и антипротонов. Z-бозоны образовывались при аннигиляции кварка протона с соответствующим ему антикварком антипротона. Характерная диаграмма такого процесса показана на рис. 8.

Рис. 9. Диаграмма рождения Z-бозонов в е+е- столкновениях.

    Диаграмма рождения Z-бозона в электрон-позитронной  аннигиляции показана на рис. 9.
    На коллайдере LЕР энергии электронного и позитронного пучков подбирались таким образом, чтобы в сумме они были равны массе Z-бозона. При этом сечение образования Z-бозона повышается на несколько порядков по сравнению с сечениями образования любых других частиц (резонансный эффект).
    В протон-протонных столкновениях, которые будут происходить на LHC, основные диаграммы рождения Z-бозона те же, что и в случае протон-антипротонных столкновений. Имеется только одно отличие. В протон-антипротонных столкновениях антикварки входили в состав антипротона, в то время как в протон-протонных столкновениях антикварки возникают из кваркового "моря". Однако светимость LНС гораздо выше светимости SррS, поэтому даже в этом случае Z-бозонов на LНС будет рождаться на несколько порядков больше, чем на SррS.