Bosones W y Z

Tras el éxito de la electrodinámica cuántica en la década de 1950, se intentó formular una teoría similar de la fuerza nuclear débil. Esto culminó alrededor de 1968 en una teoría unificada del electromagnetismo y las interacciones débiles de Sheldon Glashow, Steven Weinberg y Abdus Salam, por la que compartieron el Premio Nobel de Física de 1979. Su teoría electrodébil postulaba no sólo la _{W bosones necesarios para explicar la desintegración beta, pero también una nueva Z  bosón que nunca se había observado.}

El hecho de que el _{W y Z los bosones tienen masa mientras que los fotones no tienen masa fue un obstáculo importante en el desarrollo de la teoría electrodébil. Estas partículas se describen con precisión mediante una teoría de gauge SU (2), pero los bosones en una teoría de gauge deben carecer de masa. Como ejemplo, el fotón no tiene masa porque el electromagnetismo se describe mediante una teoría del calibre U (1). Se requiere algún mecanismo para romper la simetría SU (2), dando masa a la W y Z en el proceso. El mecanismo de Higgs, propuesto por primera vez por los papeles de ruptura de simetría PRL de 1964, cumple esta función. Requiere la existencia de otra partícula, el bosón de Higgs, que desde entonces se ha encontrado en el Gran Colisionador de Hadrones. De los cuatro componentes de un bosón Goldstone creado por el campo de Higgs, tres son absorbidos por el W⁺ , Z⁰ , y W^- bosones para formar sus componentes longitudinales, y el resto aparece como el bosón de Higgs de spin 0.}

La combinación de la teoría de gauge SU (2) de la interacción débil, la interacción electromagnética y el mecanismo de Higgs se conoce como modelo de Glashow-Weinberg-Salam. Hoy en día es ampliamente aceptado como uno de los pilares del Modelo Estándar de física de partículas, particularmente dado el descubrimiento en 2012 del bosón de Higgs por los experimentos CMS y ATLAS.

El modelo predice que _{W^± y Z⁰ los bosones tienen las siguientes masas:}

$$ metro W ± = 1 2 v gramo metro Z 0 = 1 2 v gramo 2 + gramo ′ 2 {\ Displaystyle {\ begin {alineado} m _ {{\ text {W}} ^ {\ pm}} amp; = {\ tfrac {1} {2}} vg \\ m _ {{\ text {Z}} ^ { 0}} amp; = {\ tfrac {1} {2}} v {\ sqrt {g ^ {2} + {g '} ^ {2}}} \ end {alineado}}}

donde está el acoplamiento de manómetro SU (2), es el acoplamiento de manómetro U (1) y es el valor esperado de vacío de Higgs. $$

Descubrimiento

A diferencia de la desintegración beta, la observación de interacciones de corriente neutra que involucran partículas distintas de los neutrinos requiere grandes inversiones en aceleradores y detectores de partículas, como los que solo están disponibles en unos pocos laboratorios de física de alta energía en el mundo (y solo después de 1983). Esto es porque _{Z  Los bosones se comportan de alguna manera de la misma manera que los fotones, pero no se vuelven importantes hasta que la energía de la interacción es comparable con la masa relativamente grande del Z  bosón.}

El descubrimiento de la _{W y Z bosones se consideró un gran éxito para el CERN. Primero, en 1973, vino la observación de interacciones de corriente neutra según lo predicho por la teoría electrodébil. La enorme cámara de burbujas de Gargamelle fotografió las huellas de unos pocos electrones que de repente comenzaban a moverse, aparentemente por su propia voluntad. Esto se interpreta como un neutrino que interactúa con el electrón mediante el intercambio de un Z bosón. De lo contrario, el neutrino es indetectable, por lo que el único efecto observable es el impulso impartido al electrón por la interacción.}

El descubrimiento de la _{W y Z los propios bosones tuvieron que esperar a que se construyera un acelerador de partículas lo suficientemente potente como para producirlos. La primera máquina de este tipo que estuvo disponible fue el Super Proton Synchrotron, donde se observaron señales inequívocas de bosones W en enero de 1983 durante una serie de experimentos hechos posibles por Carlo Rubbia y Simon van der Meer. Los experimentos reales se denominaron UA1 (dirigido por Rubbia) y UA2 (dirigido por Pierre Darriulat ), y fueron el esfuerzo colaborativo de muchas personas. Van der Meer fue la fuerza impulsora en el extremo del acelerador ( enfriamiento estocástico ). UA1 y UA2 encontraron el Z boson unos meses más tarde, en mayo de 1983. Rubbia y van der Meer recibieron rápidamente el Premio Nobel de Física de 1984, un paso muy inusual para la conservadora Fundación Nobel.}

los _{W⁺ , W^- , y Z⁰ bosones, junto con el fotón ( γ ), comprenden los cuatro bosones gauge de la interacción electrodébil.}

Decaer

los _{W y Z los bosones decaen en pares de fermiones, pero ni el W ni el Z  los bosones tienen suficiente energía para descomponerse en el quark top de mayor masa. Sin tener en cuenta los efectos del espacio de fase y las correcciones de orden superior, se pueden calcular estimaciones simples de sus fracciones de ramificación a partir de las constantes de acoplamiento.}

Bosones W

_{W Los bosones pueden decaer a un leptón y antileptón (uno de ellos cargado y otro neutro) o a un quark y antiquark de tipos complementarios (con cargas eléctricas opuestas ±+1 ⁄ 3 y ∓+2 ⁄ 3). El ancho de desintegración del bosón W a un par de quark-antiquark es proporcional alelemento de matriz CKM al cuadrado correspondientey al número de colores de quark, N C = 3. Los anchos de desintegración del bosónW ⁺ son entonces proporcionales a:}

Leptones		Quarks
mi+ ν mi	1	tu D	3 $$ | V ud | 2 {\ Displaystyle | V _ {\ text {ud}} | ^ {2}}	tu s	3 $$ | V nosotros | 2 {\ displaystyle | V _ {\ text {us}} | ^ {2}}	tu B	3 $$ | V ub | 2 {\ Displaystyle | V _ {\ text {ub}} | ^ {2}}
μ+ ν μ	1	C D	3 $$ | V CD | 2 {\ Displaystyle | V _ {\ text {cd}} | ^ {2}}	C s	3 $$ | V cs | 2 {\ Displaystyle | V _ {\ text {cs}} | ^ {2}}	C B	3 $$ | V cb | 2 {\ Displaystyle | V _ {\ text {cb}} | ^ {2}}
τ+ ν τ	1	Decaer a t no está permitido por la conservación de energía

Aquí, _{mi⁺ , μ⁺ , τ⁺ denotan los tres sabores de leptones (más exactamente, los antileptones cargados positivamente). ν mi, ν μ, ν τ denotar los tres sabores de neutrinos. Las otras partículas, comenzando con tu y D , todos denotan quarks y antiquarks ( se aplica el factor N C). Los varios denotan los correspondientes coeficientes de la matriz CKM. $$}

La unitaridad de la matriz CKM implica que, por lo tanto, cada una de las dos filas de quarks suman 3. Por lo tanto, las proporciones de ramificación leptónica del bosón W son aproximadamente$$

tu D y C s estados finales. La suma de las relaciones de ramificación hadrónica se ha medido experimentalmente para ser67,60 ± 0,27%, con$$B( ℓ + ν ℓ)= {\ Displaystyle \, B (\ ell ^ {+} \ mathrm {\ nu} _ {\ ell}) = \,} 10,80 ± 0,09%.

Z ⁰ Higgs

Ver también: Carga débil

_{Z los bosones se descomponen en un fermión y su antipartícula. Como el Z⁰  bosón es una mezcla de la ruptura de la presimetría W⁰ y B⁰ bosones (ver ángulo de mezcla débil ), cada factor de vértice incluye un factor donde es el tercer componente del isospín débil del fermión (la "carga" de la fuerza débil), es la carga eléctrica del fermión (en unidades del elemento elemental carga ), y es el ángulo de mezcla débil. Debido a que la isospina débil es diferente para fermiones de diferente quiralidad, ya sea zurdos o diestros, el acoplamiento también es diferente. $$}

  T 3-Q pecado 2 θ W , {\ Displaystyle ~ T_ {3} -Q \ sin ^ {2} \, \ theta _ {\ text {W}} ~,}$$ T 3 {\ Displaystyle \, T_ {3} \,} $$Q {\ Displaystyle \, Q \,} $$ θ W {\ Displaystyle \; \ theta _ {\ text {W}} \;} $$( T 3) {\ Displaystyle (\, T_ {3} \,)}

Las fuerzas relativas de cada acoplamiento se pueden estimar considerando que las tasas de desintegración incluyen el cuadrado de estos factores y todos los diagramas posibles (por ejemplo, suma de familias de quarks y contribuciones de izquierda y derecha). Los resultados tabulados a continuación son solo estimaciones, ya que solo incluyen diagramas de interacción a nivel de árbol en la teoría de Fermi.

Partículas		Isospin débil $$( T 3) {\ Displaystyle (\, T_ {3} \,)}		Factor relativo	Relación de ramificación
Nombre	Simbolos	L	R		Previsto para x  = 0,23	Medidas experimentales
Neutrinos (todos)	ν mi, ν μ, ν τ	1/2	0	$$3( 1 2 ) 2

{\ Displaystyle \, 3 ({\ tfrac {1} {2}}) ^ {2} \,} 20,5% 20,00 ± 0,06% Leptones cargados (todos) _{mi^- , μ^- , τ^- $$3(- 1 2 + X ) 2 + 3 X 2 {\ Displaystyle \, 3 (- {\ tfrac {1} {2}} + x) ^ {2} + 3x ^ {2} \,} 10,2% 10.097 ± 0.003% Electrón mi^- $$- 1 2 + X {\ Displaystyle \, - {\ tfrac {1} {2}} + x \,} X $$(- 1 2 + X ) 2 + X 2 {\ Displaystyle \, (- {\ tfrac {1} {2}} + x) ^ {2} + x ^ {2} \,} 3,4% 3,363 ± 0,004% Muon μ^- -1/2+ x X (-1/2+ x) ² + x ² 3,4% 3,366 ± 0,007% Tau τ^- -1/2+ x X (-1/2+ x) ² + x ² 3,4% 3,367 ± 0,008% Hadrones (excepto * t ) 69,2% 69,91 ± 0,06% Quarks de tipo down D , s , B -1/2 + 1/3X 1/3X 3 (-1/2 + 1/3x) ² + 3 (1/3x) ² 15,2% 15,6 ± 0,4% Quarks de tipo up tu , C 1/2 - 2/3X -2/3X 3 (1/2 - 2/3x) ² + 3 (-2/3x) ² 11,8% 11,6 ± 0,6%}

Para mantener la notación compacta, la tabla usa $$ X= pecado 2 θ W . {\ Displaystyle ~ x = \ sin ^ {2} \, \ theta _ {\ text {W}} ~.}

Aquí, L y R denotan la quiralidad izquierda o derecha de los fermiones, respectivamente.

* La desintegración imposible en un par top quark -antiquark se deja fuera de la tabla. La masa del _{t quark más un t es mayor que la masa del Z bosón, por lo que no tiene suficiente energía para descomponerse en un t t par de quarks.}

En 2018, la colaboración de CMS observó la primera desintegración exclusiva del bosón Z a un mesón ψ y un par leptón- antileptón.

Ver también

• Estadísticas de Bose-Einstein  : descripción del comportamiento de los bosones
• Lista de partículas
• Formulación matemática del modelo estándar  - Matemáticas de un modelo de física de partículas
• Carga débil
• Bosones W ′ y Z ′: bosones  gauge hipotéticos que surgen de extensiones de la simetría electrodébil del modelo estándar
• Bosones X e Y : par análogo de bosones predichos por la Gran Teoría Unificada
• Dibosón ZZ

Notas al pie

Referencias

enlaces externos

• Medios relacionados con los bosones W y Z en Wikimedia Commons
• The Review of Particle Physics, la última fuente de información sobre las propiedades de las partículas.
• Las partículas W y Z: un recuerdo personal de Pierre Darriulat
• Cuando el CERN vio el final del alfabeto por Daniel Denegri
• Partículas W y Z en hiperfísica