W a Z bosony

Rozbalit box

Obsah boxu

W a Z bosony (někdy označované jako intermediální vektorové bosony) jsou elementární částice, které zprostředkovávají slabou jadernou interakci. Jejich objev v roce 1983 v CERNu byl považován za klíčový úspěch Standardního modelu částicové fyziky. Společně s fotonem (zprostředkovatelem elektromagnetické interakce) a gluony (zprostředkovateli silné interakce) patří do skupiny kalibrační bosonů.

Na rozdíl od fotonu a gluonů mají W a Z bosony velmi vysokou hmotnost, což je důvodem, proč má slabá interakce extrémně krátký dosah. Boson W existuje ve dvou variantách s opačným elektrickým nábojem, W⁺ a W⁻, zatímco boson Z (nebo Z⁰) je elektricky neutrální.

📜 Historie a objev

Teoretická existence W a Z bosonů byla předpovězena v 60. letech 20. století v rámci teorie sjednocující elektromagnetickou a slabou interakci, známé jako elektroslabá interakce. Tuto teorii nezávisle na sobě vyvinuli Sheldon Glashow, Abdus Salam a Steven Weinberg. Za svou práci obdrželi v roce 1979 Nobelovu cenu za fyziku. Jejich model předpovídal nejen existenci těchto částic, ale také jejich přibližnou hmotnost.

Klíčovým problémem teorie byla právě vysoká hmotnost těchto částic. Zatímco foton, nosič elektromagnetismu, je nehmotný, nosiče slabé síly musely být velmi těžké, aby vysvětlily její krátký dosah. Tento problém byl vyřešen zavedením Higgsova mechanismu, který předpokládá existenci Higgsova bosonu a Higgsova pole, s nímž W a Z bosony interagují a získávají tak svou hmotnost.

Experimentální potvrzení přišlo až o mnoho let později. K jejich detekci bylo zapotřebí postavit dostatečně výkonný urychlovač částic, schopný dosáhnout energie potřebné k jejich produkci. To se podařilo v CERNu na urychlovači Super Proton Synchrotron (SPS), který byl upraven na proton-antiprotonový collider. V roce 1983 mezinárodní týmy experimentů UA1 a UA2, vedené Carlem Rubbiou a Simonem van der Meerem, oznámily přímé pozorování W a následně i Z bosonů. Tento objev byl triumfem a vedl k udělení Nobelovy ceny za fyziku Rubbiovi a van der Meerovi již v roce 1984.

⚙️ Fyzikální vlastnosti

W a Z bosony patří mezi vektorové bosony, což znamená, že mají spin o hodnotě 1. Jsou to velmi nestabilní částice s extrémně krátkou střední dobou života, přibližně 3 × 10⁻²⁵ sekundy. Kvůli své nestabilitě se okamžitě rozpadají na jiné částice.

boson W

Boson W je unikátní tím, že nese elektrický náboj. Existuje jako částice (W⁺) a její antičástice (W⁻).

• Hmotnost: Přibližně 80,4 GeV/c², což je zhruba 85krát více než hmotnost protonu.
• Náboj: ±1 elementárního náboje.
• Interakce: Zprostředkovává takzvané nabité proudy slabé interakce. To znamená, že při interakci dochází ke změně elektrického náboje interagujících částic. Klíčovou vlastností W bosonu je jeho schopnost měnit vůni (flavour) kvarků a leptonů.
• Rozpady: W boson se nejčastěji rozpadá buď na lepton a neutrino (např. W⁻ → e⁻ + ν̅ₑ) nebo na pár kvark-antikvark (např. W⁻ → d + ū).

boson Z

Boson Z je elektricky neutrální a je svou vlastní antičásticí.

• Hmotnost: Přibližně 91,2 GeV/c², tedy asi 97krát více než hmotnost protonu. Je o něco těžší než boson W.
• Náboj: 0.
• Interakce: Zprostředkovává takzvané neutrální proudy slabé interakce. Při těchto interakcích se nemění elektrický náboj ani vůně zúčastněných částic. Existence neutrálních proudů byla jedním z velkých předpovězených úspěchů elektroslabé teorie.
• Rozpady: Z boson se rozpadá na pár částice-antičástice, buď na nabité leptony (e⁺e⁻, μ⁺μ⁻, τ⁺τ⁻), nebo na páry kvark-antikvark, nebo na páry neutrino-antineutrino.

🔬 Role ve Standardním modelu

W a Z bosony jsou fundamentální součástí Standardního modelu a hrají klíčovou roli v procesech, které jsou zodpovědné za radioaktivitu a energetické procesy ve hvězdách, včetně Slunce.

Zprostředkovatelé slabé interakce

Podle kvantové teorie pole jsou síly přenášeny výměnou částic – kalibračních bosonů.

• Krátký dosah: Vysoká hmotnost W a Z bosonů je podle principu neurčitosti přímo zodpovědná za extrémně krátký dosah slabé síly (přibližně 10⁻¹⁸ metru). Virtuální částice s vysokou hmotností může existovat jen po velmi krátkou dobu a urazit jen nepatrnou vzdálenost. To je v příkrém kontrastu s nehmotným fotonem, který dává elektromagnetismu nekonečný dosah.
• Sjednocení sil: Existence W a Z bosonů vedle fotonu je základem elektroslabé teorie. Při velmi vysokých energiích (nad ~100 GeV) se elektromagnetická a slabá síla projevují jako jediná, sjednocená elektroslabá síla. Při nižších energiích, jaké panují v běžném vesmíru, dochází k tzv. spontánnímu narušení symetrie, při kterém W a Z bosony získají hmotnost (díky Higgsovu mechanismu) a síly se projeví odděleně.

Příklady interakcí

• Beta rozpad (nabitý proud): Klasickým příkladem interakce zprostředkované W bosonem je beta rozpad neutronu. Neutron (složený z kvarků udd) se přemění na proton (uud), elektron a elektronové antineutrino. Na kvarkové úrovni se jeden down-kvark (d) v neutronu změní na up-kvark (u) vyzářením virtuálního bosonu W⁻. Tento W⁻ boson se následně téměř okamžitě rozpadne na elektron a antineutrino.

   *   n → p + e⁻ + ν̅ₑ
   *   (na úrovni kvarků: d → u + W⁻, a následně W⁻ → e⁻ + ν̅ₑ)

• Jaderná fúze ve Slunci: Prvním krokem proton-protonového cyklu, který je hlavním zdrojem energie Slunce, je přeměna protonu na neutron za vzniku deuteria, pozitronu a neutrina. Tento proces je také zprostředkován slabou interakcí.
• Rozptyl neutrin (neutrální proud): Příkladem interakce zprostředkované Z bosonem je elastický rozptyl neutrina na elektronu. Neutrino a elektron si vymění virtuální Z boson, přičemž oba odletí s pozměněnou energií a hybností, ale jejich identita (vůně) se nezmění.

📊 Měření a experimenty

Po jejich objevu v CERNu se W a Z bosony staly předmětem intenzivního studia na dalších urychlovačích.

• LEP (Large Electron-Positron Collider): Tento urychlovač v CERNu, předchůdce LHC, byl navržen jako "továrna na Z bosony". Srážkami elektronů a pozitronů při energiích odpovídajících hmotnosti Z bosonu jich byly vyprodukovány miliony. To umožnilo extrémně přesné změření jeho vlastností, jako je hmotnost a šířka rozpadu, což poskytlo klíčové testy Standardního modelu. Například přesné měření rozpadů Z bosonu potvrdilo, že existují právě tři rodiny lehkých neutrin.
• Tevatron: Tento proton-antiprotonový collider ve Fermilabu v USA byl zase "továrnou na W bosony" a umožnil nejpřesnější měření hmotnosti W bosonu po mnoho let.
• LHC (Large Hadron Collider): Na LHC v CERNu jsou W a Z bosony produkovány v obrovském množství, což umožňuje další zpřesňování jejich vlastností a hledání odchylek od předpovědí Standardního modelu. V roce 2022 experiment CDF ve Fermilabu ohlásil měření hmotnosti W bosonu, které se mírně odchylovalo od predikce Standardního modelu, což vyvolalo velkou diskusi a stalo se předmětem dalšího zkoumání na LHC a jiných experimentech.

💡 Pro laiky

• Co jsou to bosony? Představte si je jako "poslíčky" nebo "míčky", které si jiné částice (jako elektrony a kvarky) mezi sebou "hází", a tím na sebe působí silou. Foton je poslíček pro elektromagnetickou sílu (světlo), gluony pro silnou sílu (drží jádra atomů pohromadě) a W a Z bosony jsou poslíčkové pro slabou sílu.
• Co je slabá interakce (síla)? Je to jedna ze čtyř základních sil v přírodě. Je zodpovědná za radioaktivní rozpad atomových jader. Díky ní například svítí Slunce – umožňuje přeměnu vodíku na helium. Říká se jí "slabá", protože je mnohem slabší než silná a elektromagnetická síla, a má jen nepatrný dosah, menší než velikost protonu.
• Proč jsou W a Z bosony tak těžké? Na rozdíl od fotonu, který nemá žádnou hmotnost, jsou W a Z bosony velmi těžké. Tuto hmotnost získávají interakcí s všudypřítomným Higgsovým polem, podobně jako když se člověk brodí hlubokým sněhem a zpomaluje ho to. Právě jejich vysoká hmotnost způsobuje, že slabá síla působí jen na extrémně krátkou vzdálenost.
• Jaký je mezi nimi rozdíl? Hlavní rozdíl je v elektrickém náboji. W bosony jsou nabité (plus nebo minus) a při své interakci mění typ částic (např. přemění neutron na proton). Z boson je neutrální a typ částic nemění.

Šablona:Aktualizováno