W- és Z-bozonok

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A W- és Z-bozonok a gyenge kölcsönhatás közvetítőrészecskéi vagy mértékbozonjai. Az 1983-as CERN-beli felfedezését a részecskefizika standard modelljének nagy sikereként ünnepelték.

A W-bozont a gyenge (angolul weak) kölcsönhatásról nevezték el. A Z részecskét pedig – humorosan – azért nevezték el így, mert ez volt akkor az utolsó részecske, amelyet a standard modellből fel kellett fedezni. Más magyarázat szerint a zero elektromos töltésére utal.

Alaptulajdonságok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Kétféle W-bozon létezik +1 és ‒1 elemi töltésegységnyi töltéssel; a W+ az antirészecskéje a W-nak. A Z-bozon (vagy Z0) elektromosan semleges és a saját antirészecskéje. Mindhárom részecske nagyon rövid életű, felezési idejük nagyjából 3·10‒25 másodperc.

Ezek a bozonok az elemi részecskék között egészen nagy tömegűek. A 80,4 (W) illetve 91,2 GeV/c2 (Z) tömeg nagyjából a cirkóniumatom tömegével egyezik meg. Nagy jelentősége van ezen a bozonok tömegének, mert ez korlátozza a gyenge kölcsönhatás hatótávolságát. Az elektromágneses erő a gyengével szemben végtelen hatótávolságú, mert a közvetítő részecskéje (a foton) nulla nyugalmi tömegű.

Mindhárom gyenge mértékbozon spinje egy, akár a többi kölcsönhatás mértékbozonjaié, ezért vektorbozonoknak is hívják őket.

A gyenge kölcsönhatás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A neutron bomlásának Feynman-gráfja

A gyenge W- és Z-bozonok közvetítik a gyenge nukleáris erőket, ahhoz hasonlóan, ahogy a fotonok közvetítik az elektromágneseseket. A W-bozon szerepet játszik a radioaktív bomlásokban. Tekintsük például a kobalt-60 béta-bomlását, ami jelentős szerepet játszik a szupernovarobbanásokban:

{}^{60}_{27}\hbox{Co}\to{}^{60}_{28}\hbox{Ni}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e

Ez a folyamat nem érinti az egész kobaltmagot, csak a 33 neutronja közül az egyiket. A neutron protonná alakul, miközben kibocsát egy elektront (ebben a kontextusban béta-részecske) és egy antineutrínót:

\hbox{n}\to \hbox{p}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e

A neutron nem egy elemi részecske, hanem összetett (egy u és két d kvarkból). Történetesen az egyik d-kvark az, amelyik részt vesz ebben a negatív béta-bomlásban, u kvarkká alakulva, ami a neutron másik két kvarkjával most már egy protont alkot. A legalsó szinten a gyenge erők megváltoztatják egy kvark ízét:

\hbox{d}\to\hbox{u}+\hbox{W}^- \,

amit azonnal követ magának a W-nak a bomlása:

\hbox{W}^-\to\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e

Miután a Z-bozon egyben saját antirészecskéje is, ezért minden belső töltésjellegű kvantumszáma nulla (például spinje azonban 1). Részecskék közötti Z-bozoncsere – a semleges áram – ezért a részecskéket magukat változatlanul hagyja, kivéve az impulzus cserét és a pálya-impulzusmomentumok megváltozását. A béta-bomlástól eltérően a semleges áram megfigyelése nagy részecskegyorsítók és részecskedetektorok megépítését igényli, úgyhogy ezek csak a világnak mindössze néhány nagyenergiájú fizikai laboratóriumában elérthetőek.

A W és Z előrejelzése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kvantumelektrodinamika 1950-es évekbeli látványos sikerét követően kísérletet tettek arra, hogy a gyenge kölcsönhatást is mértékelméleti alapokra helyezzék. Ez 1968 környékén az elektromágnesség és a gyenge kölcsönhatás egyesített elméletébe torkollott, melyért Sheldon Glashow, Steven Weinberg és Abdus Salam 1979-ben fizikai Nobel-díjat kapott. Elméletük az elektrogyenge kölcsönhatás elmélete nem csak a béta-bomláshoz szükséges W-bozonokat, hanem egy elektromosan semleges bozont a Z-bozont is megjósolta.

Az a tény, hogy a W- és Z-bozonok tömeggel rendelkeznek, míg a foton tömeg nélküli komoly gátja volt az elektrogyenge elmélet kifejlesztésében. Ezek a részecskék egy úgynevezett SU(2)-mértékelmélettel írhatóak le, de ezeknek a bozonoknak eszerint a mértékelmélet szerint tömeg nélkülieknek kellene lenniük. Valóban, a foton azért tömeg nélküli, mert az elektromágnesességet az U(1) mértékelmélet írja le. Valamilyen jelenségre volt szükség, mely az SU(2)-szimmetriát sérti, tömeget adva a W- és Z-bozonoknak. Egy magyarázattal, a Higgs-mechanizmussal, Peter Higgs szolgált az 1960-as években, amit Steven Weinberg alkalmazott a gyenge kölcsönhatás esetére. Ez egy újabb részecske létezését jósolta meg, az úgynevezett Higgs-bozonét.

Az gyenge kölcsönhatás SU(2) mértékelméletének, az elektromágneses kölcsönhatásnak, és a Higgs-mechanizmusnak a kombinációja a Glashow-Weinberg-Salam modell. Jelenleg széles körben elfogadott a részecskefizika standard modelljének egyik pilléreként. 1983 óta a standard modell egyetlen kísérletileg meg nem erősített előrejelzése a Higgs-bozon létezése.

A W és Z felfedezése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A W- és Z-bozon felfedezése egy nagy CERN sikertörténet. Először 1973-ban sikerült megfigyelni semleges áram kölcsönhatást, ahogy az elektrogyenge kölcsönhatás elmélete előrejelezte. A nagy Gargamelle buborékkamra lefényképezett néhány elektronnyomot, amelyek hirtelen elkezdtek mozogni. Ezt úgy lehet magyarázni, hogy a neutrínó kölcsönhat az elektronnal láthatatlan Z-bozont cserélve vele. A neutrínó másképpen láthatatlan, csak az elektronnak átadott impulzus a megfigyelhető.

A W- és Z- részecskék felfedezéséhez meg kellett várni olyan nagy energiájú részecskegyorsító – egy szinkrotron – elkészítését, amely elegendő az előállításukhoz. Az első eszköz, amely erre képes volt, az szuper protonszinkrotron volt, melyben 1983 januárjában egyértelmű jeleket láttak a Carlo Rubbia és Simon van der Meer által vezetett kísérletsorozatokban. A tényleges kísérleteket UA1-nek (ezt vezette Rubbia) és UA2-nek nevezték, és sok ember együttműködésének eredménye. Van der Meer volt a nyaláb átmérőjének csökkentésére szolgáló sztochasztikus hűtésnek a kidolgozója. Az UA1 és UA2 néhány Z-nyomot is talált pár hónappal később, 1983 májusában. Rubbiát és van der Meert azonnal fizikai Nobel-díjjal jutalmazták 1984-ben, ez volt a leggyorsabb döntése a konzervatív Nobel-alapítványnak.

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]