Bosones W y Z

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Partículas elementales; bosones medidores que median la interacción débil

En física de partículas, los bosones W y Z son bosones vectoriales que en conjunto se conocen como bosones débiles o, más generalmente, como bosones vectoriales intermedios. b>. Estas partículas elementales median en la interacción débil; los símbolos respectivos son
W⁺
>,
W⁻
y
Z⁰
>. El
W^±
los bosones tienen una conexión eléctrica positiva o negativa. carga de 1 carga elemental y son las antipartículas de cada una. El
Z⁰
el bosón es eléctricamente neutro y es propio antipartícula. Cada una de las tres partículas tiene un espín de 1. El
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 aproximadamente 3×10⁻²⁵ s. Su descubrimiento experimental fue fundamental para establecer lo que ahora se llama el modelo estándar de la física de partículas.

El
W
los bosones llevan el nombre de débil. El físico Steven Weinberg llamó a la partícula adicional "
Z
> partícula", y luego dio la explicación de que era la última partícula adicional que necesitaba el modelo. El
W
los bosones ya habían sido nombrados, y los
Z
los bosones recibieron su nombre por tener cero carga eléctrica.

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

El
Z
el bosón media la transferencia de impulso, 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 inelásticas de neutrinos y puede observarse en cámaras de burbujas tras la irradiación con haces de neutrinos. El
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 la interacción de un neutrino con el electrón (con la transferencia de impulso a través del bosón Z), ya que este comportamiento ocurre con mayor frecuencia cuando el neutrino haz está presente. En este proceso, el neutrino simplemente golpea al electrón (mediante el intercambio de un bosón) y luego se dispersa, transfiriendo parte del impulso del neutrino al electrón.

Propiedades básicas

Estos bosones se encuentran entre los pesos pesados de las partículas elementales. Con masas de 80,4 GeV/c² y 91,2 GeV/c², respectivamente,
W
> y
Z
> los bosones son casi 80 veces más masivos que el protón; incluso más pesados. que átomos enteros de hierro.

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

Los tres bosones tienen espín de partículas s = 1. La emisión de un
W⁺
> o
>W⁻
> el bosón reduce o aumenta la carga eléctrica de la partícula emisora en una unidad y también altera el giro 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 bariónico, encanto, etc.). La emisión o absorción de un
Z⁰
> el bosón solo puede cambiar el giro, el impulso y la energía de la otra partícula. (Ver también Corriente neutra débil.)

Relaciones con la fuerza nuclear débil

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

Bosones W

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

6027Co → 6028 Ni⁺ + e) + .

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 y al mismo tiempo emite un electrón (llamado partícula beta en este contexto) y un neutrino electrónico:

n0 → p+ + e) + .

Nuevamente, el neutrón no es una partícula elemental sino un compuesto de un quark arriba y dos quarks abajo (
u

d

d
). Es uno de los quarks down que interactúa en la desintegración beta, convirtiéndose en un quark up para formar un protón (
>u

>u
>
d
). Entonces, en el nivel más fundamental, la fuerza débil cambia el sabor de un solo quark:

d → u +
W⁻

que es seguido inmediatamente por la decadencia del
W⁻
> en sí:

W⁻
→ e) + .

Bosones Z

El
Z⁰
el bosón es su propia antipartícula. Por tanto, todos sus números cuánticos de sabor y cargas son cero. El intercambio de un
Z
bosón entre partículas, llamado La interacción de corriente neutra, por lo tanto, no afecta a las partículas que interactúan, excepto por una transferencia de espín y/o impulso.
Z
las interacciones de bosones que involucran neutrinos tienen firmas distintas: proporcionan el único mecanismo conocido de dispersión elástica de neutrinos en la materia; los neutrinos tienen casi la misma probabilidad de dispersarse elásticamente (a través de
Z
intercambio de bosones) como inelásticamente (a través del intercambio de bosones W). Corrientes neutras 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 del CERN.

Predicciones de los bosones W+, W− y Z0

Un diagrama Feynman mostrando el intercambio de un par de
W
Bosons. Este es uno de los términos principales que contribuyen a la oscilación neutral 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 con 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 postuló no sólo el
>W
bosones necesarios para explica la desintegración beta, pero también un nuevo
Z
bosón que nunca había sido observado.

El hecho de que
>W
y
Z
los bosones tienen masa mientras que los fotones no tienen masa fue un obstáculo importante en desarrollando la teoría electrodébil. Estas partículas se describen con precisión mediante una teoría de calibre SU(2), pero los bosones en una teoría de calibre no deben tener masa. Como ejemplo, el fotón no tiene masa porque el electromagnetismo se describe mediante una teoría de calibre U(1). Se requiere algún mecanismo para romper la simetría SU(2), dando masa al
W
> y
Z
en el proceso. El mecanismo de Higgs, propuesto por primera vez en los documentos 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 de 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 espín 0.

La combinación de la teoría de calibre 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, especialmente teniendo en cuenta el descubrimiento en 2012 del bosón de Higgs mediante los experimentos CMS y ATLAS.

El modelo predice que
>W^±
> y
Z⁰ Los
> 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}}}

Donde $g$ es el acoplamiento de calibre SU(2), $g'$ es el acoplamiento de calibre U(1), y $v$ es el valor de espera de vacío Higgs.

Descubrimiento

La cámara de burbujas Gargamelle, ahora exhibida en CERN

A diferencia de la desintegración beta, la observación de interacciones de corrientes neutras que involucran partículas distintas de los neutrinos requiere enormes inversiones en aceleradores y detectores de partículas, como los que sólo están disponibles en unos pocos laboratorios de física de alta energía en el mundo. mundo (y sólo después de 1983). Esto se debe a que
Z
los bosones se comportan más o menos de la misma manera como fotones, pero no se vuelven importantes hasta que la energía de la interacción sea comparable con la masa relativamente enorme del
Z
<sub style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline" bosón.

El descubrimiento de
>W
y
Z
los bosones se consideró un gran éxito para el CERN. Primero, en 1973, se observó la interacción de corrientes neutras tal como lo predecía la teoría electrodébil. La enorme cámara de burbujas de Gargamelle fotografió las huellas producidas por las interacciones de neutrinos y observó eventos en los que un neutrino interactuaba pero no producía el leptón correspondiente. Este es un sello distintivo de una interacción de corriente neutral y se interpreta como un neutrino intercambiando un
Z
bosón con un protón o neutrón en la cámara de burbujas. Por lo demás, el neutrino es indetectable, por lo que el único efecto observable es el impulso impartido al protón o neutrón por la interacción.

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

El
W⁺
>,
W⁻
y
Z⁰
> bosones, junto con el fotón (
γ
), comprenden los cuatro bosones de calibre de la interacción electrodébil.

2022 medición inesperada de la masa del bosón W

Antes de 2022, las mediciones de la masa del bosón W parecían ser consistentes con el Modelo Estándar. Por ejemplo, en 2021, se evaluó que las mediciones experimentales de la masa del bosón W convergían alrededor de 80379±12 MeV.

Sin embargo, en abril de 2022, un nuevo análisis de los datos obtenidos por el colisionador Fermilab Tevatron antes de su cierre en 2011 determinó que la masa del bosón W era 80433±9 MeV, que es siete desviaciones estándar por encima de lo predicho por el modelo estándar, lo que significa que si el modelo es correcto solo debería haber una billonésima de probabilidad de que surja una masa tan grande. por error de observación no sistemático. Según Ashutosh Kotwal de la Universidad de Duke y líder del Collider Detector en la colaboración Fermilab, la luminosidad del haz inferior utilizada redujo la posibilidad de que eventos de interés quedaran oscurecidos por otras colisiones y que el uso de colisiones protón-antiprotón simplifica el proceso de quark. –aniquilación del antiquark, que luego se descompuso para dar un leptón y un neutrino. El equipo cifró deliberadamente sus datos y ocultó los resultados preliminares hasta que se completó el análisis, para evitar un "sesgo de confirmación". distorsionando su interpretación de los datos. Kotwal lo describió como la "mayor grieta en esta hermosa teoría", y especuló que podría ser la "primera evidencia clara" de su existencia. de otras fuerzas o partículas no consideradas por el modelo estándar, y que podrían explicarse mediante teorías como la supersimetría. El físico teórico ganador del Nobel Frank Wilczek describió el resultado como un "trabajo monumental".

Además de ser inconsistente con el modelo estándar, la nueva medición también es inconsistente con mediciones anteriores como ATLAS. Esto sugiere que las mediciones antiguas o nuevas, a pesar de todas las precauciones, tienen un error sistemático inesperado, como una anomalía no detectada en el equipo. Los experimentos futuros con el LHC pueden ayudar a determinar qué conjunto de mediciones, en su caso, son las correctas. El subdirector del Fermilab, Joseph Lykken, reiteró que "... la (nueva) medición debe ser confirmada por otro experimento antes de que pueda interpretarse completamente". Matthias Schott, de la Universidad de Mainz, comentó que "no creo que tengamos que discutir qué nueva física podría explicar la discrepancia entre CDF [Collider Detector at Fermilab] y el modelo estándar; primero tenemos que entender por qué el La medición del CDF está en fuerte tensión con todas [las demás mediciones]".

En 2023, el experimento ATLAS publicó una medición mejorada de la masa del bosón W, 80360±16 MeV, que alineado con las predicciones del modelo estándar.

Decadencia

El
W
> y
Z
> los bosones se desintegran en pares de fermiones, pero ni los
W
ni el
Z
los bosones tienen suficiente energía para descomponerse en el quark top de mayor masa. Despreciando 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
bosones puede descomponerse en un leptón y un antileptón (uno de ellos cargado y otro neutro) o en un quark y antiquark de tipos complementarios (con cargas eléctricas opuestas ±+1/3 y ∓+2/3 ). El ancho de desintegración del bosón W en un par quark-antiquark es proporcional al elemento cuadrado de la matriz CKM correspondiente y al número de colores del quark, $N$ _C = 3. Los anchos de desintegración para el bosón W⁺ son proporcionales a:

Leptons		Quarks
e⁺ . _e	1	u d	3 ${displaystyle \|V_{text{ud}}\|^{2}}$	u s	3 ${displaystyle \|V_{text{us}}\|^{2}}$	u b	3 ${displaystyle \|V_{text{ub}}\|^{2}}$
μ⁺ . _μ	1	c d	3 ${displaystyle \|V_{text{cd}}\|^{2}}$	c s	3 ${displaystyle \|V_{text{cs}}\|^{2}}$	c b	3 ${displaystyle \|V_{text{cb}}\|^{2}}$
τ⁺ . _τ	1	La conservación de la energía prohíbe la desintegración t .

Aquí,
e⁺
,
μ⁺
,
τ⁺
denota los tres sabores de los leptones (más exactamente, los antileptones cargados positivos).
.
_e,
.
_μ,
.
_τ denota los tres sabores de neutrinos. Las otras partículas, empezando por
u
y
d
, todos los quarks denota y antiquarks (factor $N$ _C se aplica). Los diversos ${displaystyle ,V_{ij},}$ denota los coeficientes de matriz CKM correspondientes.

La unicidad de la matriz CKM implica que ${displaystyle ~|V_{text{ud}}|^{2}+|V_{text{us}}|^{2}+|V_{text{ub}}|^{2}~=}$ ${displaystyle ~|V_{text{cd}}|^{2}+|V_{text{cs}}|^{2}+|V_{text{cb}}|^{2}=1~,}$ así cada una de dos filas de quark sumas a 3. Por lo tanto, las ratios de ramificación leptonica de las
W
Boson son aproximadamente ${displaystyle ,B(mathrm {e} ^{+}mathrm {nu } _{mathrm {e} })=,}$ ${displaystyle ,B(mathrm {mu } ^{+}mathrm {nu } _{mathrm {mu } })=,}$ ${displaystyle ,B(mathrm {tau } ^{+}mathrm {nu } _{mathrm {tau } })=,}$ 1/9 La relación de ramificación hadrónica está dominada por el CKM favorecido
u

d
y
c

s
estados finales. Se ha medido experimentalmente la suma de las ratios de ramificación hadrónica 67.60±0,27%, con ${displaystyle ,B(ell ^{+}mathrm {nu } _{ell })=,}$ 10.80±0,09%.

Bosón Z0

Z
bosons desintegrarse en un fermión y su antipartícula. Como
Z⁰
boson es una mezcla de la pre-simetría que rompe
W⁰
y
B⁰
bosons (ver ángulo de mezcla débil), cada factor de vértice incluye un factor ${displaystyle ~T_{3}-Qsin ^{2},theta _{mathsf {W}}~,}$ Donde ${displaystyle ,T_{3},}$ es el tercer componente de la débil isospina del fermión (el "carga" para la fuerza débil), ${displaystyle ,Q,}$ es la carga eléctrica del fermión (en unidades de la carga elemental), y ${displaystyle ;theta _{mathsf {w}};}$ es el ángulo de mezcla débil. Porque el débil isospin ${displaystyle (,T_{3},)}$ es diferente para los fermions de diferentes quirality, ya sea zurdo o derecho, el acoplamiento es diferente también.

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 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		Weak isospin ${displaystyle (,T_{3},)}$		Factor relativo	ratio de ramificación
Nombre	Símbolos	LEFT	Bien.	Factor relativo	Predicted for $x$ = 0,23	Mediciones experimentales
Neutrinos (todas)	. _e, . _μ, . _τ	1/2	0	${displaystyle ,3({tfrac {1}{2}})^{2},}$	20.5%	20.00±0,06%
Leptones cargados (todas)	e⁻ , μ⁻ , τ⁻			${displaystyle ,3(-{tfrac {1}{2}}+x)^{2}+3x^{2},}$	10,2%	10.097±0,003%
Electron	e⁻	${displaystyle ,-{tfrac {1}{2}}+x,}$	$x$	${displaystyle ,(-{tfrac {1}{2}}+x)^{2}+x^{2},}$	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					69,2%	69.91±0,06%
quarks de tipo bajo	d , s , b	−1/2 + 1/3 $x$	1/3 $x$	3 (−1/2 + 1/3 $x$ )² + 31/3 $x$ )²	15,2%	15.6±0,4%
quarks de tipo alto ()* excepto t )	u , c	1/2 − 2/3 $x$	−2/3 $x$	3 (1/2 − 2/3 $x$ )² + 3 (−2/3 $x$ )²	11,8%	11.6±0,6%

Para mantener la notación compacta, la tabla utiliza

{displaystyle ~x=sin ^{2},theta _{text{W}}~.}

* La desintegración imposible en un par quark-antiquark superior se deja fuera de la mesa.

Subpartidas LEFT y Bien. denota la quiralidad o la "manualidad" de los fermions.

En 2018, la colaboración de CMS observó el primer deterioro exclusivo del
>Z
bosón a un mesón ψ y un par leptón-antileptón.