Bosones W y Z

En física de partículas , los bosones W y Z son bosones vectoriales que se conocen en conjunto como bosones débiles o, más generalmente, como bosones vectoriales intermedios . Estas partículas elementales median la interacción débil ; los símbolos respectivos son
W⁺
,
W^-
, y
Z⁰
. La
W^±
 los bosones tienen una carga eléctrica positiva o negativa de 1 carga elemental y son las antipartículas de cada uno . La
Z⁰
 El bosón es eléctricamente neutro y es su propia antipartícula . Las tres partículas tienen un giro de 1. La
W^±
 Los bosones tienen un momento magnético, pero el
Z⁰
no tiene ninguno. Estas tres partículas tienen una vida muy corta, con una vida media de aproximadamente3 × 10 ⁻²⁵  s . Su descubrimiento experimental fue fundamental para establecer lo que ahora se llama el Modelo Estándar de física de partículas .

W^±
y
Z⁰
Bosones

Composición	Partícula elemental
Estadísticas	Bosónico
Interacciones	Interacción débil
Teorizado	Glashow , Weinberg , Salam (1968)
Descubierto	Colaboraciones UA1 y UA2 , CERN , 1983
Masa	W: 80,379 ± 0,012  GeV / c 2 [1] Z:91,1876 ± 0,0021 GeV / c 2 [2]
Ancho de decaimiento	W: 2,085 ± 0,042  GeV / c 2 [1] Z:2,4952 ± 0,0023 GeV / c 2 [2]
Carga eléctrica	W: ± 1  e Z: 0  e
Girar	1
Isospin débil	Ancho: ± 1 Z: 0
Hipercarga débil	0

La
W
 los bosones reciben el nombre de la fuerza débil . El físico Steven Weinberg denominó a la partícula adicional "
Z
 partícula ", ^[3] y luego dio la explicación de que era la última partícula adicional que necesitaba el modelo.
W
 bosones ya habían sido nombrados, y los
Z
 los bosones fueron nombrados por tener carga eléctrica cero . ^[4]

Los dos
W
 los bosones son mediadores verificados de la absorción y emisión de neutrinos . Durante estos procesos, el
W^±
 La carga del bosón induce la emisión o absorción de electrones o positrones, provocando así la transmutación nuclear .

La
Z
 El bosón media la transferencia de momento, espín y energía cuando los neutrinos se dispersan elásticamente de la materia (un proceso que conserva la carga). Este comportamiento es casi tan común como las interacciones de neutrinos inelásticos y puede observarse en cámaras de burbujas tras la irradiación con haces de neutrinos. La
Z
 El bosón no participa en la absorción o emisión de electrones o positrones. Siempre que se observa un electrón como una nueva partícula libre, moviéndose repentinamente con energía cinética, se infiere que es el resultado de un neutrino que interactúa directamente con el electrón, ya que este comportamiento ocurre con mayor frecuencia cuando el haz de neutrinos está presente. En este proceso, el neutrino simplemente golpea al electrón y luego se dispersa, transfiriendo parte del impulso del neutrino al electrón. ^[a]

Propiedades básicas

Estos bosones se encuentran entre los pesos pesados ​​de las partículas elementales. Con masas de80,4 GeV / c ² y91,2 GeV / c ² , respectivamente, el
W
y
Z
 Los bosones son casi 80 veces más masivos que el protón , incluso más pesados ​​que los átomos de hierro enteros .

Sus masas elevadas limitan el alcance de la interacción débil. En contraste, el fotón es el portador de fuerza de la fuerza electromagnética y tiene masa cero, consistente con el rango infinito del electromagnetismo ; También se espera que el gravitón hipotético tenga masa cero. (Aunque también se presume que los gluones tienen masa cero, el rango de la fuerza del color está limitado por diferentes razones; consulte el confinamiento del color ).

Los tres bosones tienen espín de partícula s  = 1. La emisión de un
W⁺
o
W^-
El bosón aumenta o disminuye la carga eléctrica de la partícula emisora ​​en una unidad y también altera el espín en una unidad. Al mismo tiempo, la emisión o absorción de un
W^±
 El bosón puede cambiar el tipo de partícula, por ejemplo, cambiar un quark extraño en un quark up . El bosón Z neutro no puede cambiar la carga eléctrica de ninguna partícula, ni puede cambiar ninguna otra de las llamadas " cargas " (como extrañeza , número de bariones , encanto , etc.). La emisión o absorción de un
Z⁰
 El bosón solo puede cambiar el giro, el momento y la energía de la otra partícula. (Véase también corriente neutra débil ).

Fuerza nuclear débil

El diagrama de Feynman para la desintegración beta de un neutrón en un protón, electrón y antineutrino electrónico a través de un intermedio
W^-
 bosón

La
W
y
Z
los bosones son partículas portadoras que median la fuerza nuclear débil, al igual que el fotón es la partícula portadora de la fuerza electromagnética.

Bosones W

La
W^±
 los bosones son más conocidos por su papel en la desintegración nuclear . Considere, por ejemplo, la desintegración beta del cobalto-60 .

60 27Co → 60 28Ni⁺ + mi- + νmi

Esta reacción no involucra a todo el núcleo de cobalto-60 , sino que afecta solo a uno de sus 33 neutrones. El neutrón se convierte en un protón al tiempo que emite un electrón (llamado partícula beta en este contexto) y un antineutrino electrónico:

norte0 → pag+ + mi- + νmi

Una vez más, el neutrón no es una partícula elemental, sino un compuesto de un quark up y dos quarks down (udd). De hecho, es uno de los quarks down que interactúa en la desintegración beta, convirtiéndose en un quark up para formar un protón (uud). En el nivel más fundamental, entonces, la fuerza débil cambia el sabor de un solo quark:

D → tu +
W^-

que es seguida inmediatamente por la desintegración del
W^-
sí mismo:

W^-
→ mi- + νmi

Bosones Z

La
Z⁰
 el bosón es su propia antipartícula . Por lo tanto, todos sus números cuánticos de sabor y cargas son cero. El intercambio de un
Z
 El bosón entre partículas, llamado interacción de corriente neutra , por lo tanto, no afecta a las partículas que interactúan, excepto por una transferencia de espín y / o momento . ^[B]
Z
las interacciones de bosones que involucran neutrinos tienen firmas distintas: proporcionan el único mecanismo conocido para la dispersión elástica de neutrinos en la materia; es casi tan probable que los neutrinos se dispersen elásticamente (a través de
Z
 intercambio de bosones) de forma inelástica (a través del intercambio de bosones W). ^[c] Corrientes neutrales débiles a través de
Z
 El intercambio de bosones se confirmó poco después (también en 1973), en un experimento de neutrinos en la cámara de burbujas Gargamelle en el CERN . ^[7]

Predecir la W y la Z

Un diagrama de Feynman que muestra el intercambio de un par de
W
 bosones. Este es uno de los términos principales que contribuyen a la oscilación neutra de Kaon .

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 . ^{[8] [c]} 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 están descritas con precisión por 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:

${\displaystyle {\begin{aligned}m_{{\text{W}}^{\pm }}&={\tfrac {1}{2}}vg\\m_{{\text{Z}}^{0}}&={\tfrac {1}{2}}v{\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}}}\end{aligned}}}$

dónde ${\displaystyle g}$ es el acoplamiento de manómetro SU (2), ${\displaystyle g'}$ es el acoplamiento de calibre U (1), y ${\displaystyle v}$es el valor esperado de vacío de Higgs .

Descubrimiento

La cámara de burbujas de Gargamelle , ahora expuesta en el CERN

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 ), ^[9] 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 . ^[10]

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

Decaer

La
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 descomponerse en un leptón y un antileptón (uno de ellos cargado y otro neutro) ^[d] o en un quark y antiquark de tipos opuestos . El ancho de desintegración del bosón W a un par de quark-antiquark es proporcional al elemento de matriz CKM al cuadrado correspondiente y al número de colores de quark , N _C  = 3. Los anchos de desintegración del  bosón W ⁺ son entonces proporcionales a:

Leptones		Quarks
mi+ ν mi	1	tu D	3 | V ud | 2	tu s	3 | V us | 2	tu B	3 | V ub | 2
μ+ ν μ	1	C D	3 | V cd | 2	C s	3 | V cs | 2	C B	3 | V 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
_τdenotar 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 diversos V _ij denotan los correspondientes coeficientes de la matriz CKM .

(Cada entrada en la columna de leptones también se puede escribir como tres desintegraciones, por ejemplo, para la primera fila, como e ⁺ ν ₁ , e ⁺ ν ₂ , e ⁺ ν ₃ para cada estado propio de la masa de neutrinos, con anchos de desintegración proporcionales a | U _e1 | ^2, etc. ( elementos de la matriz de PMNS ), pero los experimentos que miden estas desintegraciones no pueden discriminar entre los estados propios de la masa de neutrinos, miden el ancho total de desintegración de la suma de los tres procesos).

La unitaridad de la matriz CKM implica que | V _ud | ²  + | V _us | ²  + | V _ub | ²  = | V _cd | ²  + | V _cs | ²  + | V _cb | ²  = 1, por lo tanto, cada una de las dos filas de quarks se suma a 3. Por lo tanto, las proporciones de ramificación leptónica del bosón W son aproximadamente B (
mi⁺

ν
_mi) =  B (
μ⁺

ν
_μ) =  B (
τ⁺

ν
_τ) = 1/9. La relación de ramificación hadrónica está dominada por el CKM favorecido
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 ) = 10,80 ± 0,09% . ^[11]

Bosón Z

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${\displaystyle ~T_{3}-Q\sin ^{2}\,\theta _{\text{W}}~,}$ dónde ${\displaystyle \,T_{3}\,}$es el tercer componente del isospín débil del fermión (la "carga" de la fuerza débil),${\displaystyle \,Q\,}$es la carga eléctrica del fermión (en unidades de la carga elemental ), y${\displaystyle \;\theta _{\text{W}}\;}$es el ángulo de mezcla débil . Porque el isospin débil${\displaystyle (\,T_{3}\,)}$es diferente para los fermiones de diferente quiralidad , ya sea zurdos o diestros , el acoplamiento también es diferente.

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 ${\displaystyle (\,T_{3}\,)}$		Factor relativo	Relación de ramificación
Nombre	Simbolos	L	R		Previsto para x  = 0,23	Medidas experimentales [12]
Neutrinos (todos)	ν mi, ν μ, ν τ	1/2	0  [e]	${\displaystyle \,3({\tfrac {1}{2}})^{2}\,}$	20,5%	20,00 ± 0,06%
Leptones cargados (todos)	mi- , μ- , τ-			${\displaystyle \,3(-{\tfrac {1}{2}}+x)^{2}+3x^{2}\,}$	10,2%	10.097 ± 0.003%
Electrón	mi-	${\displaystyle \,-{\tfrac {1}{2}}+x\,}$	X	${\displaystyle \,(-{\tfrac {1}{2}}+x)^{2}+x^{2}\,}$	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 ${\displaystyle ~x=Q\sin ^{2}\,\theta _{\text{W}}~.}$

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

* 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. ^[13]

Ver también

• Estadísticas de Bose-Einstein  : descripción estadística del comportamiento de los bosones
• Lista de partículas
• Formulación matemática del modelo estándar  : las 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

1. Debido a que los neutrinos no se ven afectados por la fuerza fuerte ni la fuerza electromagnética , y debido a que la fuerza gravitacional entre las partículas subatómicas es insignificante, tal interacción solo puede ocurrir a través de la fuerza débil. Dado que tal electrón no se crea a partir de un nucleón, y no cambia excepto por el nuevo impulso de fuerza impartido por el neutrino, esta interacción de fuerza débil entre el neutrino y el electrón debe ser mediada por una partícula de bosón de fuerza débil electromagnéticamente neutra. Por tanto, esta interacción requiere una
   Z⁰
    bosón.
2. Sin embargo, vea la corriente neutra que cambia el sabor para una conjetura de que un
   Z
   el intercambio puede causar un cambio de sabor.
3. La primera predicción de
   Z
    bosones fue creado por el físico brasileño José Leite Lopes en 1958, ^[5] ideando una ecuación que mostraba la analogía de las interacciones nucleares débiles con el electromagnetismo. Steve Weinberg, Sheldon Glashow y Abdus Salam utilizaron posteriormente estos resultados para desarrollar la unificación electrodébil, ^[6] en 1973.
4. Específicamente:
   
   W^-
   → leptón cargado + antineutrino
   
   W⁺
   → antileptón cargado + neutrino
5. En el modelo estándar, los neutrinos diestros (y antineutrinos zurdos) no existen; sin embargo, algunas extensiones más allá del modelo estándar las permiten. Si existen, todos tienen isospín T ₃  = 0 y carga eléctrica Q  = 0, lo que los hace "estériles" , es decir, incapaces de interactuar con las fuerzas débiles o eléctricas, y dado que su carga de color es cero, no hay fuerza fuerte. interacciones tampoco.

Referencias

1. M. Tanabashi y col. (Grupo de datos de partículas) (2018). "Revisión de la física de partículas" . Physical Review D . 98 (3): 030001. Código Bibliográfico : 2018PhRvD..98c0001T . doi : 10.1103 / PhysRevD.98.030001 .
2. M. Tanabashi y col. (Grupo de datos de partículas) (2018). "Revisión de la física de partículas" . Physical Review D . 98 (3): 030001. Código Bibliográfico : 2018PhRvD..98c0001T . doi : 10.1103 / PhysRevD.98.030001 .
3. Weinberg, S. (1967). "Un modelo de leptones" (PDF) . Phys. Rev. Lett . 19 : 1264-1266. Código Bibliográfico : 1967PhRvL..19.1264W . doi : 10.1103 / physrevlett.19.1264 .^{[ enlace muerto permanente ]} El papel de unificación electrodébil.
4. Weinberg, Steven (1993). Sueños de una teoría final: la búsqueda de las leyes fundamentales de la naturaleza . Prensa Vintage. pag. 94 . ISBN 978-0-09-922391-7.
5. Lopes, J. Leite (septiembre de 1999). "Cuarenta años del primer intento de unificación electrodébil y de la predicción del bosón neutro débil" . Revista Brasileña de Física . 29 (3): 574–578. Código Bibliográfico : 1999BrJPh..29..574L . doi : 10.1590 / S0103-97331999000300024 . ISSN  0103-9733 .
6. "El Premio Nobel de Física" . Fundación Nobel . 1979. Archivado desde el original el 3 de agosto de 2004 . Consultado el 10 de septiembre de 2008 .
7. "El descubrimiento de las corrientes neutrales débiles" . Mensajero del CERN. Archivado desde el original el 7 de marzo de 2017 . Consultado el 6 de marzo de 2017 .
8. "Premio Nobel de Física" . Fundación Nobel. 1979. Archivado desde el original el 3 de agosto de 2004 . Consultado el 20 de febrero de 2004 .(ver también el Premio Nobel de Física en Wikipedia)
9. "La colección UA2 Collaboration" . Archivado desde el original el 4 de junio de 2013 . Consultado el 22 de junio de 2009 .
10. "Premio Nobel de Física" . Fundación Nobel. 1984. Archivado desde el original el 3 de agosto de 2004 . Consultado el 20 de febrero de 2004 .
11. J. Beringer; et al. (2012). "Revisión de 2012 de la física de partículas - Bosones de Higgs y calibre" (PDF) . Physical Review D . 86 : 1. Código Bibliográfico : 2012PhRvD..86a0001B . doi : 10.1103 / PhysRevD.86.010001 . Archivado (PDF) desde el original el 20 de febrero de 2017 . Consultado el 21 de octubre de 2013 .
12. Amsler, C .; et al. (Grupo de datos de partículas) (2010). "PL B667, 1 (2008) y actualización parcial de 2009 para la edición de 2010" (PDF) . Archivado (PDF) desde el original el 5 de junio de 2011 . Consultado el 19 de mayo de 2010 .
13. Sirunyan, AM; et al. (Colaboración CMS) (2018). "Observación del decaimiento Z → ψ ℓ + ℓ− en pp colisiones en √ s = 13 TeV" . Cartas de revisión física . 121 (14): 141801. arXiv : 1806.04213 . doi : 10.1103 / PhysRevLett.121.141801 .

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