International Physics Masterclasses

Więcej o bozonie Z

Cząstki, które są wymieniane w oddziaływaniach słabych i są odpowiedzialne za ich przenoszenie, to W+, W- i elektrycznie obojętne Z0. Przyjrzyjmy się bliżej, w jaki sposób cząstka Z może się rozpadać.

Rozpad bozonu Z

Ponieważ cząstka Z jest neutralna, suma ładunków produktów jej rozpadu musi wynosić zero. Dzieje się tak, gdyż w naturze ładunek elektryczny jest zachowywany.

Dlatego Z musi rozpadać się na parę: cząstkę i antycząstkę. Zgodnie z dodatkowymi prawami zachowania, 100% prawdopodobieństwa rozpadu Z podzielone jest na poszczególne typy rozpadów:

  1. W 10% rozpadów Z tworzy się para naładowanych cząstek: lepton i antylepton. Trzy możliwe typy takich par to elektron-antyelektron, mion-antymion i taon-antytaon. Prawdopodobieństwa powstania każdej pary są równe.

    • Daje to trzy możliwe rozpady.
  2. Bozon Z w 20% rozpadów daje elektrycznie obojętne pary leptonów, neutrino-antyneutrino. Nasz detektor nie ma możliwości obserwacji neutrin, gdyż nie oddziałują one prawie z niczym. Neutrina są zatem dla nas niewidoczne i jedyny sposób ich "zobaczenia" pojawia się, gdy wykryjemy brakującą energię lub pęd poprzeczny po zderzeniu (ponieważ wiemy, że zarówno energia, jak i pęd poprzeczny są zachowane w zderzeniu).

    • Rozpady na neutrina dają kolejne 3 możliwości.
  3. W 70% rozpadów Z tworzona jest para kwark-antykwark. W detektorze są one widoczne jako tzw. dżety, czyli strumienie cząstek (ang. jet).
  4. Kwarki posiadają własność nazywaną "kolorem", każdy kwark może występować w jednym z trzech kolorów.

    • Sumując 6 typów kwarków (górny, dolny, dziwny, powabny, spodni, szczytowy: ang. up, down, strange, charm, bottom, top), każdy w jednym z 3 kolorów, otrzymujemy 18 możliwych typów rozpadu.

Mamy więc w sumie 24 możliwe rozpady, ale tylko 21 z nich jest widoczne. Na szczęście możemy skoncentrować się na dwóch najłatwiejszych do wykrycia: rozpadach na elektron-pozyton lub mion-antymion.

Fizycy korzystają z diagramów Feynmana dla zobrazowania produkcji cząstek i ich rozpadów. Skorzystaj z tej strony, by dowiedzieć więcej o diagramach Feynmana. Popatrz na diagramy rozpadu Z na elektron - pozyton i mion - antymion.

Pomiary bozonu Z

Bozon Z został zbadany bardzo dokładnie w jednym z poprzednich akceleratorów cząstek, zwanym LEP (po angielsku: Large Electron-Positron Collider). LEP był wręcz nazywany fabryką Z-ów. Bozon Z jest niezbędnym kawałkiem układanki, jaką jest nasza teoria cząstek elementarnych i ich oddziaływań. Bozony Z i W pośredniczą we wszystkich zjawiskach, w których rządzą oddziaływania słabe. Aby odtworzyć rzeczywistość, teoria oddziaływań słabych dyktuje sposoby, w jakie powinien się zachowywać bozon Z (i bozony W). Jednym z wielkich osiągnięć eksperymentów w LEPie był precyzyjny pomiar wszystkich rozpadów Z, które mogły być obserwowane (na naładowane leptony i na hadrony, skąd uzyskano informacje o rozpadach Z na pary neutrino-antyneutrino). Te wyniki udowodniły, że mamy dokładnie 3 rodzaje neutrin, a co za tym idzie - 3 rodziny leptonów i kwarków.

Jest to zgodne ze wszystkimi bieżącymi obserwacjami, a więc jest to bardzo wartościowy wynik, który umieszcza bozon Z zarówno w teorii, jak i w Naturze dokładnie tam, gdzie on powinien być, aby nasz świat wyglądał tak, jak wygląda.

Tutaj możesz powrócić do Ćwiczenia Z.