W boson

W boson je měřidlo boson a tedy elementární částice . Stejně jako související boson Z, zprostředkovává na slabé interakce , jednu ze základních složek ve fyzice . Zatímco boson Z je elektricky neutrální, boson W nese elektrický náboj ; rozlišuje se mezi W ⁺ a W ^- , jedná se o vzájemně antičástice . W boson je zodpovědný za nabité proudy slabé interakce .

W boson je W = slabý (Engl.) = Slabá a bozon pro částice s celočíselnou rotaci. W bosony byly a jsou také nazývány meziproduktovými vektorovými bosony .

vlastnosti

Feynman diagram pro beta rozpad a neutron na proton , elektron a elektronové antineutrino Více než W boson

S více než 80 GeV / c² má W boson téměř 86krát větší hmotnost než proton , takže je extrémně těžký. Jeho šířka rozpad je 2,085 ± 0,042 g eV , což odpovídá extrémně krátkou životností z 3E^-Odpovídá ²⁵ s. 32% se rozpadá naleptonya 68% nahadrony. Na rozdíl odfotonuabosonuZ ⁰ je elektricky nabitý a stejně jako tyto máspin 1. W bosony jsou vždyleváky,a proto mohou zprostředkovávat pouze slabou interakci mezi částicemi pro leváky (porušenímaximálníparity). Z tohoto důvodu nelze W bosonu přiřadit žádnouparitu.

Zprostředkování interakce

W bosony mohou zprostředkovat slabou interakci jak mezi leptony, tak mezi kvarky . Typ interagujících částic se v každém případě mění (jejich elektrický náboj a jejich slabý isospin ).

Například elektron (záporně nabitý lepton) lze přeměnit na související, elektricky neutrální elektronové neutrino vyzařováním W ^- bosonu .

V případě kvarků zprostředkovávají W bosony přeměnu různých chutí na sebe. Takový proces probíhá např. B. probíhá v radioaktivním rozpadu beta , ve kterém kvark d (nabíjení - ¹ / ₃  e) se převede do kvark (nabíjení + ² / ₃  e) v neutronu části na atomového jádra . To změní neutron na proton a atomové číslo se zvýší o jednu. W boson emitovaný během tohoto procesu je - v souladu se zachováním náboje - jednoduše záporně nabitý (-1 e), tj . W ^- boson.

Slabou interakci zprostředkovává také boson Z, který však není elektricky nabitý. Vzhledem k tomu, chuťové změny neutrální proudy (FCNC krátkosti) neexistují jako základní interakce ve standardní model z částicové fyziky , Z boson nemůže přispět k přeměně kvarků i v případě, že nebyly spojeny se změnou náboje.

Vzhledem k vysoké hmotnosti W bosonu je dosah slabé interakce velmi malý (přibližně 10 ⁻¹⁸ m, asi tisícina průměru protonu ). Procesy jako rozpad beta , jejichž energie jsou o několik řádů nižší než zbývající energie W bosonu, lze proto zhruba popsat jako interakci čtyř částic v jednom bodě ( Fermiho interakce ).

generace

W bosony byly předpovězeny v roce 1967 jako součást teorie elektroslabých interakcí . Jako skutečné částice však mohly být generovány pouze tehdy, když byly k dispozici urychlovače částic s dostatečnou energií.

Jednou z možností generování je reakce kvarku a antikvarku podle

${\ displaystyle {\ begin {aligned} \ mathrm {d} + {\ overline {\ mathrm {u}}} & \ rightarrow \ mathrm {W} ^ {-} \\\ mathrm {u} + {\ overline { \ mathrm {d}}} & \ rightarrow \ mathrm {W} ^ {+} \ ,. \ end {aligned}}}$

Je důležité, aby se paprsky zde čelně srazily , protože příliš mnoho energie by zůstalo nevyužito, kdyby zasáhly nehybný cíl .

Výše W generace bosonů lze dosáhnout:

• reakce protonů s protony (pp). V tomto případě antiquark pochází z virtuálních antikvarků ( mořských kvarků ) v protonu. Vzhledem k tomu, že mořské kvarky mají průměrnou hybnost pouze 4%, musí být těžiště energií generováno daleko nad hmotností W.
• reakce protonů s antiprotony  (p p ). Reakce probíhá mezi valenčními kvarky a je potřeba jen asi polovina energie. Další výhodou experimentů p p je, že oba paprsky částic lze urychlit a uložit v opačných směrech v jednom a stejném prstenci.

Při kolizích p p byly skutečné W bosony poprvé generovány v lednu 1983 v Super Proton Synchrotron  (SPS) CERN , který byl v tomto režimu nazýván Sp p S. Byly detekovány v detektorech  UA1 a UA2.

Složky hybnosti reagujících (anti) kvarků v (anti) protonech nejsou známy. To vede k nepřesnostem při určování hmotnosti W bosonu. Pro přesná měření je generování párů W bosonů podle

${\ Displaystyle \ mathrm {e} ^ {-} + \ mathrm {e} ^ { +} \ rightarrow \ mathrm {W} ^ {-} + \ mathrm {W} ^ { +}}$

vhodnější. Generování elektronových a pozitronových paprsků požadované energie bylo dosaženo v roce 1998 na velkém elektronově-pozitronovém urychlovači  (LEP) CERN po expanzi na LEP2.

literatura

• Bogdan Povh , K. Rith , C. Scholz, F. Zetsche: Particles and Cores: An Introduction to Physical Concepts . 6. vydání. Springer-Verlag, 2004. ISBN 3-540-21065-2 .

webové odkazy

Wikislovník: W -Boson  - vysvětlení významů, původ slov, synonyma, překlady

• Co jsou bosony W&Z? z televizního seriálu alfa-Centauri (přibližně 15 minut). První vysílání 2. srpna 2006.
• Particle Data Group 2010, recenze 2011
• Skupina dat částic - Seznamy částic - W -Boson (soubor PDF; 184 kB)

Individuální důkazy

1. ↑ PA Zyla a kol. ( Particle Data Group ): 2020 Review of Particle Physics, W-Boson. In: Prog. Theor. Exp. Fyz. 2020, 083C01 (2020). Particle Data Group, přístup 25. června 2021 .  
2. ↑ ^{a b} Chris Quigg , Elementární částice a síly , Scientific American, duben 1985, s. 91
3. ↑ Natalie Wolchover: Nový obraz částic a sil , Spektrum der Wissenschaft 4.2021, strana 21. „Levák“ zde, jako obecně s popisem slabé interakce, odkazuje na (Lorentzově invariantní) chiralitu , nikoli na helicity .