בוזוני W ו-Z

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

יש לך הודעות חדשות (השווה לגרסה הקודמת).

בוזוני W ו-Z
הרכב:	חלקיק אלמנטרי
סטטיסטיקה:	בוזון
קבוצת שיוך:	בוזון כיול
חלקיק:	בוזוני W ו-Z
תכונות
מסת מנוחה:	‎ kg‎ m $W$ = 80.4×10³MeV/c²; m $Z$ =91.2×10³ MeV/c²
מטען חשמלי:	‎q $z$ =o;q_w⁺=e;q_W^-=‎- e
ספין:	$\hbar$ 1
מטען צבע:	0
אינטראקציות:	הכוח הגרעיני החלש
היסטוריה
נצפה?	כן
שנת גילוי:	1983

בוזוני W ו-Z הם החלקיקים האלמנטריים הנושאים את הכוח הגרעיני החלש. גילויים ב-CERN בשנת 1983 היה הישג גדול למודל הסטנדרטי ולפיזיקת החלקיקים.

בוזון W נקרא על שם הכוח הגרעיני החלש (weak). נאמר שחלקיק Z נקרא כך משום שהוא החלקיק האחרון שנותר לגלותו, והאות Z היא האות האחרונה באותיות באנגלית. הסבר אחר הוא שבוזון Z קיבל את שמו זה מהסיבה הפשוטה שמטענו החשמלי הוא אפס (באנגלית zero).

[עריכה] תכונות בסיסיות

ישנם שני סוגים של בוזני W, אחד עם מטען חשמלי של +1 והשני עם מטען חשמלי -1; הבוזון W⁺ הוא האנטי-חלקיק של ה-W^-. בוזון Z (או Z⁰) הינו נייטרלי מבחינה חשמלית והוא האנטי-חלקיק של עצמו. כל שלושת החלקיקים מתקיימים לזמן קצר מאוד, פחות או יותר^25- 10 × 3 שניות.

הבוזונים הללו כבדים באופן יחסי לשאר החלקיקים האלמנטריים. עם מסה של 80.4 ו-91.2 GeV/c², בהתאמה, מסתם של בוזוני W ו-Z גדולה פי 100 מזו של הפרוטון - וכבדה יותר מאטום של ברזל. מסתם של בוזוני W ו-Z חשובה מכיוון שהיא מגבילה את הטווח של הכוח הגרעיני החלש. לכוח האלקטרומגנטי, לעומת זאת, יש טווח אינסופי מכיוון שלבוזון שלו (הפוטון) אין מסה כלל.

[עריכה] הכוח הגרעיני החלש

בוזוני W ו-Z הם הנשאים של הכוח הגרעיני החלש, כמו שהפוטון הוא הנשא של הכוח האלקטרומגנטי. בוזון W ידוע בעיקר בגלל תפקידו בהתפרקות גרעינית. קחו לדוגמה את ההתפרקות של קובלט-60, תהליך חשוב בהתפוצצויות של סופרנובות ושל פצצות נייטרון:

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

הריאקציה אינה מערבת את כל הנוקליאונים של הקובלט-60, אלא משפיעה רק על אחד מתוך 33 הנייטרונים שלו. נייטרון זה הופך לפרוטון, ובו בזמן גם פולט אלקטרון (שנקרא חלקיק בטא בקונטקסט הזה), ואנטי-נייטרינו:

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

שוב, הנייטרון אינו חלקיק אלמנטרי אלא שילוב של קווארק אחד של מעלה (U) ושני קווארקים של מטה (D), שילוב שנהוג לכתוב כך: UDD. למעשה, אחד מהקווארקים של מטה הוא זה שמתרכב בקרינת בטא, בהופכו לקווארק של מעלה ובכך יוצר פרוטון - UUD. ברמה הבסיסית ביותר, אם כך, הכוח הגרעיני החלש משנה את טעמו של קווארק יחיד:

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

ומייד אחר-כך באה ההתפרקות של ה-W⁻ עצמו:

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

בכך שהוא האנטי-חלקיק של עצמו, כל הערכים הקוונטיים של בוזון Z הם אפס. משום כך, העברה של בוזון Z בין חלקיקים, הקרויה בשם זרם נייטרלי, משאירה אותם ללא שינוי, מלבד העברה של מומנטום. שלא כמו התפרקות בטא, צפייה באינטראקציות זרם נייטרלי צורכת השקעה אדירה במאיצי חלקיקים ובחיישנים, שנמצאים בהישג יד רק במספר מועט של מעבדות בעולם העוסקות בפיזיקה באנרגיות גבוהות.

[עריכה] לחזות את W ו-Z

בהמשך להצלחה המדהימה של האלקטרודינמיקה הקוונטית בשנות ה-50, נעשו מאמצים ליצור תאוריה דומה לכוח הגרעיני החלש. מאמץ זה הגיע לשיא בשנת 1968 בתאוריה מאוחדת של הכוח האלקטרומגנטי והכוח החלש, כפי שנוסחה על ידי שלדון גלשאו, סטיבן ויינברג ועבדו סלאם, שזכו על כך בפרס נובל לפיזיקה. התאוריה האלקטרו-חלשה שלהם דרשה לא רק את קיומו של בוזון W, שהיה צריך להיות קיים בכדי להסביר את התפרקות הבטא, אלא גם את התקיימותו של בוזון Z חדש, שטרם נצפה עדיין.

העובדה שלבוזוני W ו-Z יש מסה בעוד שלפוטונים אין הייתה אבן דרך חשובה בפיתוח התאוריה האלקטרו-חלשה. חלקיקים אלו מתוארים במדויק בתיאורית הכוח (SU(2, אך בוזונים בתיאורית כוח חייבים להיות נטולי מסה. לצורך העניין, לפוטון אין מסה כתוצאה מכך שהאלקטרומגנטיות מתוארת בתיאורית הכוח (1)U. דרושה מכניקה מסוימת בכדי לשבור את הסימטריה של תיאורית הכוח (SU(2 בכל הנודע לבוזוני W ו-Z על-מנת לתת להם מסה. הסבר אחד, מכניקת היגס, הוצעה על ידי ברוט ואנגלר וקודמה על ידי פיטר היגס בשנות ה-60 המאוחרות. מכניקה זו מנבאת את קיומו של חלקיק נוסף, בוזון היגס.

השילוב של תיאורית הכוח (SU(2 של הכוח החלש, הכוח האלקטרומגנטי ומכניקת היגס ידועה בשם מודל גלשאו-ויינברג-סאלאם. בימים אלו המודל מקובל בתור אחד מעמודי התווך של המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. נכון לשנת 2004, החלקיק היחיד שנחזה על ידי המודל הסטנדרטי וטרם נמצא בניסוי הוא בוזון היגס.

[עריכה] גילויים של W ו-Z

גילויים של בוזוני W ו-Z הוא סיפור הצלחה גדול שניתן לזקוף לזכותן של מעבדות CERN. בתחילה, בשנת 1973, הגיע החיזוי של הזרם הנייטרלי על ידי התאוריה האלקטרו-חלשה. תא בועות אדיר ב-CERN, גרגמל שמו, צילם את מסלוליהם של כמה אלקטרונים שלפתע פתאום החלו לנוע בהתאמה. דבר זה פוענח כנייטרינו המגיב עם האלקטרון בהעברה של בוזון Z בלתי נראה. אלמלא כך, הנייטרינו היה בלתי ניתן לגילוי, כך שההשפעה הנראית היחידה היא העברת המומנטום לאלקטרון.

הגילוי של חלקיקי ה-W וה-Z עצמם נאלץ לחכות לבנייתו של מאיץ חלקיקים חזק דיו בכדי ליצור אותם. המכונה הראשונה מסוג זה שהייתה מוכנה לפעולה הייתה ה-SPS, היכן שאותות ברורים של בוזון W נקלטו בינואר 1983 במהלך סידרת ניסויים שנוהלו על ידי קארלו רוביאה וסיימון ואן-דר-מר. הניסויים גילו את בוזון Z מספר חודשים מאוחר יותר, במאי 1983. רוביאה וואן-דר-מיר זכו בפרס נובל לפיזיקה.