בוזוני W ו-Z

בוזוני W ו-Z הם חלקיקים יסודיים הנושאים את הכוח החלש. חלקיקים אלו נחזו על ידי המודל הסטנדרטי בפיזיקת החלקיקים והתגלו באופן ניסיוני ב-CERN בשנת 1983. בוזון W נקרא על שם הכוח החלש (weak). נאמר שחלקיק Z נקרא כך משום שהוא החלקיק האחרון שנותר לגלותו, והאות Z היא האחרונה באלפבית האנגלי. הסבר אחר הוא שבוזון Z קיבל את שמו מהסיבה שמטענו החשמלי הוא אפס (zero). ישנם שני סוגי בוזוני W, אחד בעל מטען חשמלי +1 והשני בעל מטען חשמלי -1; הבוזון W+ הוא האנטי-חלקיק של ה-W−. בוזון Z (או Z0) נייטרלי מבחינה חשמלית והוא האנטי-חלקיק של עצמו. אורך החיים של כל שלושת החלקיקים הוא קצר מאוד, כ-‎3×10-25‎ שניות. הבוזונים הללו כבדים באופן יחסי לשאר החלקיקים היסודיים. עם מסה של 80.4 ו-91.2 GeV/c2, בהתאמה, מסתם של בוזוני W ו-Z גדולה פי 100 משל הפרוטון - וכבדה יותר מאטום הברזל. מסתם של בוזוני W ו-Z חשובה מכיוון שהיא מגבילה את טווח הכוח החלש. לכוח האלקטרומגנטי, לעומת זאת, יש טווח אינסופי מכיוון שלבוזון שלו (הפוטון) אין מסה כלל. בוזוני W ו-Z הם הנשאים של הכוח החלש, כמו שהפוטון הוא נשא הכוח האלקטרומגנטי. בוזון W ידוע בעיקר בגלל תפקידו בהתפרקות גרעינית. לדוגמה התפרקות של קובלט-60, תהליך חשוב בהתפוצצויות סופרנובות ופצצות נייטרון: 27 60 Co → 28 60 Ni + e − + ν ¯ e {\displaystyle {}_{27}^{60}{\hbox{Co}}\to {}_{28}^{60}{\hbox{Ni}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}} התגובה אינה מערבת את כל הנוקליאונים של הקובלט-60, אלא משפיעה רק על אחד מ-33 הנייטרונים שלו. נייטרון זה הופך לפרוטון, ובו בזמן גם פולט אלקטרון (הנקרא חלקיק בטא בהקשר זה), ואנטי-נייטרינו: n → p + e − + ν ¯ e {\displaystyle {\hbox{n}}\to {\hbox{p}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}} הנייטרון אינו חלקיק יסודי אלא שילוב של חלקיק אחד מסוג קווארק למעלה (u) ושני חלקיקים מסוג קווארק למטה (d), כך שהרכבו הוא udd. למעשה, אחד מקווארקי למטה הוא זה המגיב עם בוזון W, בהופכו לקווארק למעלה, ובכך יוצר פרוטון - uud. ברמה הבסיסית ביותר, אם כך, הכוח החלש משנה את טעמו של קווארק יחיד: d → u + W − {\displaystyle {\hbox{d}}\to {\hbox{u}}+{\hbox{W}}^{-}} ומיד אחר-כך באה ההתפרקות של ה-−W עצמו: W − → e − + ν ¯ e {\displaystyle {\hbox{W}}^{-}\to {\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}} מכיוון שבוזון Z הוא האנטי-חלקיק של עצמו, כל הערכים הקוונטיים שלו הם אפס. משום כך, העברה של בוזון Z בין חלקיקים, הקרויה בשם זרם נייטרלי (weak neutral current), משאירה אותם ללא שינוי, מלבד העברת תנע. שלא כמו קרינת בטא, צפייה באינטראקציות זרם נייטרלי דורשת השקעה אדירה במאיצי חלקיקים ובחיישנים, הנמצאים בהישג יד רק במספר מועט של מעבדות בעולם העוסקות בפיזיקה באנרגיות גבוהות. בהמשך להצלחה המדהימה של האלקטרודינמיקה הקוונטית בשנות ה-50, נעשו מאמצים ליצור תאוריה דומה לכוח החלש. מאמץ זה הגיע לשיא בשנת 1968 בתאוריה מאוחדת של הכוח האלקטרומגנטי והכוח החלש, כפי שנוסחה על ידי שלדון גלאשו, סטיבן ויינברג ועבדוס סלאם, שזכו על כך בפרס נובל לפיזיקה. התאוריה האלקטרו-חלשה שלהם דרשה לא רק את קיומו של בוזון W, שהיה צריך להיות קיים כדי להסביר את התפרקות הבטא, אלא גם את התקיימות בוזון Z חדש, שטרם נצפה עדיין. העובדה שלבוזוני W ו-Z יש מסה בעוד שלפוטונים אין הייתה אבן דרך חשובה בפיתוח התאוריה האלקטרו-חלשה. חלקיקים אלו מתוארים במדויק בתורת הכיול (SU(2, אך בוזונים בתורת כיול חייבים להיות נטולי מסה. כך לדוגמה, לפוטון אין מסה כתוצאה מכך שהאלקטרומגנטיות מתוארת על ידי תורת כיול (1)U. דרושה מכניקה מסוימת כדי לשבור את סימטריית תורת הכיול (SU(2 בכל הנודע לבוזוני W ו-Z על-מנת לתת להם מסה. הסבר אחד, מכניקת היגס, הוצע על ידי ברוט ואנגלר וקודמה על ידי פיטר היגס בשנות ה-60 המאוחרות. מכניקה זו מנבאת את קיומו של חלקיק נוסף, בוזון היגס, אשר התגלה גם הוא ב-CERN בשנת 2012. השילוב של תיאורית הכוח (SU(2 של הכוח החלש, הכוח האלקטרומגנטי ומכניקת היגס ידועה בשם מודל גלאשו-ויינברג-סלאם. בימים אלו המודל מקובל בתור אחד מעמודי התווך של המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. גילוי בוזוני W ו-Z הוא סיפור הצלחה גדול שניתן לזקוף לזכותן של מעבדות CERN. בתחילה, בשנת 1973, הגיע החיזוי של הזרם הנייטרלי על ידי התאוריה האלקטרו-חלשה. תא בועות אדיר ב-CERN, גרגמל שמו, צילם את מסלוליהם של כמה אלקטרונים שלפתע פתאום החלו לנוע בהתאמה. דבר זה פוענח כנייטרינו המגיב עם האלקטרון בהעברת בוזון Z בלתי נראה. אלמלא כך, הנייטרינו היה בלתי ניתן לגילוי, כך שההשפעה הנראית היחידה היא העברת המומנטום לאלקטרון. גילוי חלקיקי ה-W וה-Z עצמם נאלץ לחכות לבנייתו של מאיץ חלקיקים חזק דיו כדי ליצור אותם. המכונה הראשונה מסוג זה שהייתה מוכנה לפעולה הייתה ה-SPS (סופר פרוטון סינכרוטרון) ב-CERN, היכן שאותות בוזון W ברורים נקלטו בינואר 1983 במהלך סדרת ניסויים שנוהלו על ידי קרלו רוביה וסימון ואן דר מיר (הניסוי הראשון היה ניסוי UA1). הניסויים גילו את בוזון Z מספר חודשים מאוחר יותר, במאי 1983. על תגליתם זו, רוביה וואן-דר-מר זכו בפרס נובל לפיזיקה ב-1984. המודל הסטנדרטי מיון החלקיקים מדיה וקבצים בנושא בוזוני W ו-Z בוויקישיתוף בוזוני W ו-Z, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) בוזון W באתר PDGLive בוזון Z(הקישור אינו פעיל) באתר PDGLive ארז גרטי, חלקיקי החומר – בוזונים חלשים, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 4 ביולי 2011 גדעון לב, מדידה חריגה מציבה סימן שאלה מעל המודל הבסיסי ביותר של הפיזיקה, באתר הארץ, 7 באפריל 2022