W- и Z-бозоны

W-бозон и Z-бозон — переносчики слабого взаимодействия. Всякое взаимодействие нейтрино с веществом идёт через один из них.

Массы

Самое бросающееся в глаза их свойство — их вес:

Протон весит неполный гигаэлектронвольт. Стало быть, эти переносчики взаимодействия примерно в восемьдесят — девяносто раз тяжелее целого протона, тогда как фотон, переносящий электромагнитную силу, вовсе не имеет массы.

Из этой массы следует ничтожный радиус действия слабой силы и тем самым неповоротливость всех нейтринных процессов.

Что они делают

W-бозон меняет тождество. При бета-распаде d-кварк в нейтроне превращается в u-кварк и испускает при этом W⁻, который тут же распадается на электрон и антинейтрино. Такие процессы называют заряженными токами.

Z-бозон ничего не меняет в тождестве, а лишь передаёт энергию и импульс. Нейтрино может рассеяться на атомном ядре и остаться нейтрино. Эти нейтральные токи предсказала электрослабая теория, а Gargamelle нашла их в 1973 году.

На нейтральном токе основано и когерентное рассеяние на атомных ядрах, которое делает возможными сегодняшние малые детекторы.

Открытие 1983 года

Обнаружены были оба в 1983 году в ЦЕРН, в экспериментах UA1 и UA2.

Путь туда примечателен. Чтобы породить частицы такой массы, нужны были столкновения недостижимой до тех пор энергии. Карло Руббиа добился перестройки уже имевшегося ускорителя: вместо того чтобы стрелять протонами по неподвижной мишени, протоны и антипротоны должны были идти навстречу друг другу.

Трудность состояла в том, чтобы собрать достаточно антипротонов и свести их в пригодный пучок. Симон ван дер Мер разработал для этого стохастическое охлаждение — метод, который непрерывно измеряет движение частиц и гасит его целенаправленными поправками, пока пучок не станет достаточно узким.

Оба получили за это Нобелевскую премию уже в 1984 году — одно из самых быстрых присуждений в истории премии.

Примечательна очерёдность: Глэшоу, Салам и Вайнберг получили премию ещё в 1979 году за теорию, то есть до того, как их частицы были найдены. Результата Gargamelle хватило, чтобы убедить научный мир.

Число типов нейтрино

Z-бозон дал физике нейтрино одно из её важнейших чисел.

Z-бозон может распадаться на различные пары частиц, в том числе на нейтрино и его античастицу. Таких распадов не видно — но они укорачивают время жизни Z и тем самым уширяют его резонансную кривую.

Итак, из измеренной ширины можно прочесть, на сколько невидимых каналов он способен распадаться. Измерения на Большом электрон-позитронном коллайдере, в которых участвовал в том числе Джек Штайнбергер, дали начиная с 1989 года ясное значение: три лёгких типа нейтрино.

Это образцовый пример косвенного измерения. Считают то, чего не видят, измеряя, как быстро распадается нечто другое.

Это измерение не исключает стерильных нейтрино, ведь те по определению не связывались бы с Z. Но для всех обычных нейтрино число тем самым закреплено — и матрица PMNS имеет ровно три строки и три столбца, потому что этого требует данное измерение.

Число, посеявшее беспокойство

В 2022 году коллаборация CDF в Фермилабе представила очень точное измерение массы W — и значение лежало заметно выше предсказания Стандартной модели, далеко за пределами указанных неопределённостей.

Это была бы трещина в здании, ведь масса W связана через теорию с другими измеренными величинами и потому не может быть выбрана произвольно.

Однако более поздние измерения в ЦЕРН пришли к значениям, совместимым со Стандартной моделью. Расхождение считается сегодня преимущественно эффектом анализа одного отдельного эксперимента.

Случай поучителен: одного очень точного измерения недостаточно, пока оно не подтверждено независимо, — недостаточно и тогда, когда его статистическая значимость впечатляет.

Родственные понятия

• Слабое взаимодействие
• Gargamelle — нейтральные токи
• Джек Штайнбергер — число семейств
• Стандартная модель

Источники

• Коллаборация UA1: Experimental observation of isolated large transverse energy electrons with associated missing energy, Physics Letters B 122, 103 (1983).
• ALEPH, DELPHI, L3, OPAL: Precision electroweak measurements on the Z resonance, Physics Reports 427, 257 (2006).