W- և Z-բոզոններ

W- և Z-բոզոններ, տարրական մասնիկներ, որոնցով պայմանավորված է թույլ փոխազդեցությունը։ Բացահայտվել են ՑԵՌՆ-ում, 1983 թվականին։ W և Z բոզոնների գոյության փորձնական հաստատումը համարվում է տարրական մասնիկների ֆիզիկայի ստանդարտ մոդելի ամենակարևոր հաջողություններից մեկը։

W-մասնիկն այդպես կոչվել է թույլ փոխազդեցության առաջին տառից (անգլ. Weak) ։ Z-մասնիկն իր անվանումն ստացել է պայմանավորված Z-բոզոնի զրո (անգլ. Zero) էլեկտրական լիցք ունենալու հանգամանքով։

Հիմնական հատկությունները 
W-բոզոնները երկու տիպի են՝ +1 և −1 էլեկտրական լիցքով (տարրական էլեկտրական լիցքի միավորներով). W+ բոզոնը W−-ի հակամասնիկն է, Z-բոզոնը (կամ Z0) էլեկտրականապես չեզոք է և ինքին իր հակամասնիկն է։ Բորոր այս մասնիկների կյանքի տևողությունը շատ կարճ է՝ մոտ 3 վայրկյան

Այս բոզոնները ծանր տարրական մասնիկներից են։ W±-ն իր 80.4 ԳէՎ/c2 զանգվածով և Z0-ն իր 91.2 ԳէՎ/c2 զանգվածով գրեթե 100 անգամ ծանր են պրոտոնից և մոտ են համապատասխանաբար ռուբիդիումի և տեխնեցիումի ատոմներին։ Այս բոզոնների զանգվածը շատ կարևոր է թույլ փոխազդեցությունը հասկանալու համար, քանի որ սահմանափակում է թույլ փոխազդեցության ազդեցության շառավիղը։ Էլեկտրամագնիսական ուժերը, հակառակը, ազդեցության անվերջ շառավիղ ունեն, քանի որ նրանց կրող բոզոնը՝ ֆոտոնը, զանգված չունի։

Այս բոլոր երեք բոզոնների սպինը 1 է։

W+ կամ W− բոզոն առաքելը կարող է կամ 1 միավորով մեծացնել, կամ 1 միավորով փոքրացնել առաքող մասնիկի էլեկտրական լիցքը և 1 միավորով փոխել սպինը։ Միևնույն ժամանակ W-բոզոնը կարող է փոխել մասնիկի սերունդը, օրինակ՝ տարօրինակ քվարկը վերածել վերև-քվարկի։ Z0 բոզոնը չի կարող փոխել ոչ էլեկտրական լիցքը, ոչ մի ուրիշ լիցք (տարօրինակություն, հմայք և այլն), կարող է փոխել միայն սպինը և իմպուլսը, այնպես որ այն երբեք չի փոխում իրեն առաքող մասնիկի սերունդը կամ բույրը (տես չեզոք հոսանք)։

Թույլ փոխազդեցություն 

W- և Z-բոզոնները թույլ փոխազդեցությունը պայմանավորող մասնիկներն են, ինչպես ֆոտոնը էլեկտրամագնիսական փոխազդեցությունը պայմանավորող մասնիկն է։ W-բոզոնը կարևոր դեր ունի միջուկային բետա-տրոհման մեջ։ Օրինակ, դիտարկենք կոբալտի Co60 իզոտոպի բետա-տրոհումը, որը գերնոր աստղերի բռնկման ժամանակ ընթացող կարևոր պրոցես է.

 ։

Այս ռեակցիային մասնակցում է Co60-ի ոչ թե ամբողջ միջուկը, այլ՝ նեյտրոններից միայն 33-ը։ Նեյտրոնը փոխակերպվում է պրոտոնի՝ ճառագայթելով էլեկտրոն (որն այստեղ կոչվում է բետա-մասնիկ) և էլեկտրոնային հականեյտրինո.

 ։

Այստեղ ևս նեյտրոնն ինքը ոչ թե տարրական, այլ բաղադրյալ մասնիկ է, կազմված վերև-քվարկից և երկու ներքև-քվարկներրից (udd)։ Այնպես որ իրականում բետա տրոհմանը մասնակցնում է d-քվարկներից միայն մեկը, որը փոխակերպվում է u-քվարկի, որպեսզի ձևավորվի պրոտոն (uud)։ Այսպիսով ամենահիմնանար մակարդակում թույլ փոխազդեցությունը պարզապես փոխում է մեկ քվարկի բույրը.

 

ինչին անմիջապես հետևում է W− բոզոնի տրոհումը՝

 ։

Z-բոզոնի բոլոր քվանտային թվերը մեկ են, քանի որ նա ինքն իր հակամասնիկն է (այսպես կոչված իսկապես չեզոք մասնիկներ)։ Հետևաբար, Z-բոզոնի փոխանակությունը մասնիկների միջև, որը կոչվում է չեզոք հոսանքների փոխազդեցություն, չի փոխում փոխազդող մասնիկներին։ Ի տարբերություն բետա-տրոհման, չեզոք հոսանքների փոխազդեցության դիտարկումը պահանջում է այնպիսի հսկայական ֆինանսական ներդրումներ մասնիկների արագացուցիչներում և դետեկտորներում, որը հնարավոր է միայն աշխարհի բարձր էներգիաների ֆիզիկայի մի քանի լաբորատորիաներում։

W- և Z-բոզոնների կանխատեսումը 

1950-ական թվականներին քվանտային էլեկտրադինամիկայի տպավորիչ հաջողություններին հաջորդեցին թույլ փոխազդեցության համար ևս այդպիսի տեսություն կառուցելու փորձերը։ Դա հաջողվեց 1968 թվականին՝ էլեկտրամագնիսականության և թույլ փոխազդեցության ընդհանուր տեսությունների կառուցումով, ինչը իրականացրեցին Շելդոն Գլեշոուն, Սթիվեն Վայնբերգը և Աբդուս Սալամը։ Դրա համար նրանք համատեղ ստացան ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակը 1979 թ.։ Նրանց էլեկտրաթույլ փոխազդեցության տեսությունը կանխատեսում էր ոչ միայն W-բոզոնը, որն անհրաժեշտ էր բետա-տրոհումը բացատրելու համար, այլև նոր Z-բոզոնը, որը մինչ այդ երբևէ չէր դիտվել։

Փաստը, որ W- և Z-բոզոններն ունեն զանգված՝ ի տարբերություն ֆոտոնի, էլեկտրաթույլ տեսության զարգացման գլխավոր խոչընդոտն էր։ Այս մասնիկները ճշգրիտ նկարագրվում են SU(2) տրամաչափային սիմետրիայով, սակայն տրամաչափային տեսության բոզոնները պետք է զանգված չունենան։ Այսպես, ֆոտոնը առանց զանգվածի բոզոն է, քանի որ էլեկտրամագնիսականությունը նկարագրվում է U(1) տրամաչափային սիմետրիայով։ Պետք է մի մեխանիզմ, որը կխախտի SU(2) սիմետրիան՝ ընթացքում զանգված հաղորդելով W- և Z-բոզոններին։ Մի բացատրություն՝ Հիգսի մեխանիզմը, առաջարկեց Պիտեր Հիգսը 1960-ականների վերջին։ Այն կանխատեսում էր ևս մեկ նոր մասնիկի՝ Հիգսի բոզոնի գոյությունը։

Թույլ փոխազդեցության SU(2) տրամաչափային տեսությանը, էլեկտրամագնիսական փոխազդեցության և Հիգսի մեխանիզմի համակցումը հայտնի է Գլեշոու-Վայնբերգ-Սալամի մոդել անունով։ Այժմ դա տարրական մասնիկների ֆիզիկայի ստանդարտ մոդելի սյուներից մեկն է։

W- և Z-բոզոնների փորձնական բացահայտումը 

W- և Z-բոզոնների բացահայտումը ՑԵՌՆ-ի պատմության ամենահաջողակ էջերից է։ Սկզբում, 1973 թ., անցկացվեցին էլեկտրաթույլ փոխազդեցության տեսությամբ կանխատեսված չեզոք հոսանքների դիտարկումներ։ «Գարգամել» վիթխարի բշտկավոր խցիկում, որը լուսավորվում էր արագացուցիչից նեյտրինոների փնջով, լուսանկարվեցին մի քանի էլեկտրոնների հետքեր, որոնք հանկարծ սկսել էին շարշվել ասես իրենք իրենց։ Այս երևույթը մեկնաբանվեց որպես նեյտրինոյի և էլեկտրոնի փոխազդեցություն անտեսանելի Z-բոզոնի փոխանակության միջոցով։ Նեյտրինոն նույնպես շատ դժվար է դետեկտել, այնպես որ միակ դիտելի էֆեկտը փոխազդեցությունից հետո էլեկտրոնի ստացած իմպուլսն է։

Իրենց՝ W- և Z-բոզոնների հայտնաբերմանը պետք էր սպասել, քանի դեռ հնարավոր չէր դարձել դրանց ստեղծման համար բավականաչափ հզոր արագացուցիչների կառուցումը։ Այդպիսի առաջին մեքենան սուպեր-պրոտոնային սինքրոտրոնն էր (ՍՊՍ), որի միջոցով Կառլո Ռուբիան և Սիմոն վան դեր Մեերը մի շարք փորձերում ստացան W-բոզոնների գոյության աներկմիտ ապացույցներ։ Ինչպես բարձր էներգիայի ֆիզիկայի մյուս փորձերում, այս փորձերը ևս (UA1 և UA2) բազմաթիվ մարդկանց աշխատանքի արդյունք էին։ W-բոզոնը հայտնաբերելուց (1983 թվականի հունվարին) մի քանի ամիս անց բացահայտվեց Z-բոզոնը (1983 թվականի մայիս)։ Ռուբիան և վան դեր Մեերը իրենց հայտհագործությունից քմիսներ անց՝ 1984 թվականին Ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակ ստացան, ինչը արտառոց քայլ էր սովորաբար պահպանողական Նոբելյան ֆոնդի կողմից։

Բոզոնների տրոհման կանալները 

Z-բոզոնը 69.91 % հավանականությամբ տրոհվում է հադրոնների. լեպտոնների և հակալեպտոնների տրոհվելու հավանականությունը 10.10 % է։

Բոզոնների առաջացումը 
2014 թ. ATLAS համագործակցությունը հայտնեց W-բոզոնների զույգի ծնունդի մասին։

Տես նաև 
 Ստանդարտ մոդել
 Տրամաչափային բոզոն

Ծանոթագրություններ

Արտաքին հղումներ 
 W-բոզոնի հատկությունների բերված աղյուսակը Particle Data Group կայքում 
 Z- բոզոնի հատկությունների բերված աղյուսակը Particle Data Group կայքում 
 W և Z , ՑԵՌՆ-ի էջ 
 W և Z մասնիկները Hyperphysics կայքում 
 Z մասնիկը Everything2 կայքում 

Ստանդարտ մոդել
Տարրական մասնիկների ֆիզիկա
Բոզոններ