W и Z бозоны. Слабые. Но толстые!
Сегодня, мои дорогие друзья, мы поговорим о W и Z бозонах. Вы наверняка слышали о них краем уха, когда проходили мимо лавочек с сидящими на них бабушками, которые очень любят обсуждать последние достижения физики элементарных частиц.
Что же это за чудные частицы такие? И зачем они нужны вообще? Давайте разберёмся.
Бозоны переносчики
Я уверен, что вы знаете всё о фотонах. И что эти частицы являются переносчиками электромагнитных взаимодействий. Вы наверняка в курсе, что когда две частицы взаимодействуют посредством электромагнитной силы (например, когда два электрона отталкивают друг друга, или когда один магнит притягивает другой), они делают это, обмениваясь виртуальными фотонами. В одной из будущих статей мы обязательно поговорим об этом подробнее.
Но на самом деле фотоны не являются единственными частицами, которые «умеют» переносить взаимодействия. Так вот. Есть такие бозоны: W и Z. Они являются частицами, которые переносят слабое взаимодействие. То есть именно они отвечают за радиоактивный распад.
Эти частицы были предсказаны до того, как были обнаружены. Это случилось после того, как физики с помощью квантовой электродинамики создали теорию, которая очень хорошо объясняла электромагнитное взаимодействие посредством обмена виртуальными фотонами. Учёные задались вопросом – а нельзя ли то же самое провернуть с другими силами? Могут ли, кроме фотона, другие частицы быть «посредниками» фундаментальных взаимодействий?
В 1968 году группе учёных (Шелдону Глэшоу, Стивену Вайнбергу и Абдусу Саламу) удалось создать единую теорию, которая очень хорошо объясняла как электромагнитное, так и слабое взаимодействие. Это был первый шаг к созданию (до сих пор несуществующей) «теории великого объединения», объясняющей все фундаментальные силы. Поскольку она объединяла электромагнитное и слабое взаимодействия, её часто называют электрослабой теорией. За проделанную работу учёные были удостоены Нобелевской премии по физике в 1973 году.
Странные названия
Электрослабая теория Вайнберга, Салама и Глэшоу предложила две новые частицы в качестве посредников слабого взаимодействия. Обе были бозонами, которые учёные назвали W и Z. Как обычно, по несколько странным причинам. Бозон W был назван в честь того, что отвечает за слабое взаимодействие (англ. Weak (слабый), а бозон Z получил своё название полусерьёзно-полушутливо. Потому что было сказано, что это последняя частица, которую нужно открыть. А Z – последняя буква английского алфавита.
Физики, как выяснилось позже, с большой точностью предсказали свойства, которыми должны обладать эти новые частицы. Через пятнадцать лет после публикации теории, в 1983 году, на одном из ускорителей ЦЕРН (Conseil Europeen pour la Recherche Nucléaire — Европейский совет по ядерным исследованиям) впервые удалось обнаружить как W-, так и Z-бозон. Учёные, ответственные за эксперименты, Карло Руббиа и Саймон ван дер Меер, получили в 1984 году за это открытие Нобелевскую премию.
Но почему было так трудно обнаружить эти частицы? Причина, конечно же, в том, что эти бозоны чрезвычайно мало живут. Их период полураспада составляет около 3·10^-25 секунды. Или 0,0000000000000000000000000003.
Это означает, что с момента рождения бозона W или Z до его исчезновения свет может пройти расстояние в 10^-16 метров. То есть он не смог бы преодолеть даже ядро атома! Это одна из причин, дорогой мой читатель, по которой Вы никогда не замечали существования этих бозонов. Даже если подходили близко к какому-то делящемуся материалу.
Часть вины за просто чудовищную нестабильность этих частиц лежит на их массе. Бозоны W и Z огромны. Они почти в 100 раз тяжелее протона! Опять же, трудно понять, насколько это много. Но просто задумайтесь – один из этих бозонов весит больше, чем целый атом железа! Одна частица! Да, они «тяжеловесы». Но живут при этом недолго.
Где родился, там и пригодился
Именно по этой причине слабое взаимодействие едва заметно вне ядер атомов. А вот фотоны, ответственные за электричество и магнетизм, являются очень стабильными и способными путешествовать на чудовищные расстояния. Огромные бозоны W и Z, напротив, живут так мало, что они не могут нести слабое взаимодействие где-либо, кроме как в непосредственной близости от того места, где родились.
Вообще в этой группе на самом деле три бозона. Все со спином 1 (напомню – целочисленный спин означает, что частица является бозоном. А полуцелый означает, что это фермион). Бозон W+ имеет заряд протона, W- его античастица и имеет заряд электрона. А Z-бозон (иногда его обозначают как Z0) не имеет заряда. Мало того: он сам себе античастица.
Но как же всё это работает? Давайте попробуем разобраться.
Возможно, Вы помните, что такое бета-распад. Он происходит, когда нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Ну а теперь давайте погрузимся в этот процесс поглубже.
Нужно стремиться наверх!
Вы помните, конечно, что нейтрон состоит из одного верхнего и двух нижних кварков. А протон из двух верхних и одного нижнего. И при распаде нейтрона происходит вот что: один из нижних кварков становится верхним. Но заряд-то у них разный! Нижний кварк имеет заряд -1/3, а верхний кварк — +2/3). И именно эта разница порождает W- бозон.
Этот бозон, как мы уже выяснили, распадается за очень короткое время. Рождая электрон и электронное антинейтрино. Что мы и видим «извне», когда наблюдаем радиоактивный распад.
А вот Z-бозоны ответственны за очень необычный эффект, называемый нейтральным током. Существование этих частиц является неизбежным следствием постулатов электрослабой теории. Нейтральным током называют процесс, в ходе которого кварки и лептоны обмениваются Z-бозонами.
Вот какой он странный и интересный мир переносчиков фундаментальных взаимодействий. А ведь есть еще и сильное взаимодействие!
О том, кто является его переносчиком, мы поговорим в одной из следующих статей.
Сообщение W и Z бозоны. Слабые. Но толстые! появились сначала на Живой Космос.