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bosones W y Z

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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 . Estas partículas elementales median la interacción débil ; los símbolos respectivos son W +, W −y Z 0. El W ± Los bosones tienen una carga eléctrica positiva o negativa de 1 carga elemental y son antipartículas entre sí . El Z 0 El bosón es eléctricamente neutro y es su propia antipartícula. Las tres partículas tienen cada una un espín de 1. El W ± Los bosones tienen un momento magnético, pero el Z 0no tiene ninguna. Estas tres partículas son de vida muy corta, con una vida media de aproximadamente3 × 10 −25  s . Su descubrimiento experimental fue fundamental para establecer lo que ahora se denomina el Modelo Estándar de la física de partículas .

Los bosones W  reciben su nombre de la fuerza débil . El físico Steven Weinberg denominó a la partícula adicional " partícula Z " [ 3 ] y posteriormente explicó que era la última partícula adicional necesaria para el modelo. Los bosones W ya habían sido nombrados, y los bosones Z recibieron su nombre por tener carga eléctrica cero [ 4 ] .   

Los dos bosones W  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 .

El bosón Z  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 inelásticas de neutrinos y puede observarse en cámaras de burbujas al ser irradiadas con haces de neutrinos. El bosón Z  no participa en la absorción ni en la emisión de electrones o positrones. Siempre que se observa un electrón como una nueva partícula libre que se mueve repentinamente con energía cinética, se infiere que es el resultado de la interacción de un neutrino con el electrón (con la transferencia de momento a través del  bosón Z), ya que este comportamiento ocurre con mayor frecuencia cuando el haz de neutrinos está presente. En este proceso, el neutrino se dispersa del electrón (mediante el intercambio de un bosón), transfiriendo parte del momento del neutrino al electrón. [ a ]

Propiedades básicas

Los físicos caracterizan las partículas por su equivalencia energética en reposo, utilizando la ecuación de masa-energía para relacionar la energía con la masa. [ 5 ] : 108 La masa del bosón W es80,3692 ± 0,0133  GeV y el bosón Z es91,1880 ± 0,0020  GeV . [ 2 ]

Sus elevadas masas limitan el alcance de la interacción débil. En contraste, el fotón es el portador de la fuerza electromagnética y tiene masa cero, lo que concuerda con el alcance infinito del electromagnetismo ; se espera que el hipotético gravitón también tenga masa cero. Si bien se presume que los gluones también tienen masa cero, el alcance de la fuerza nuclear fuerte está limitado por diferentes razones; véase Confinamiento de color .

Los tres bosones tienen espín de partícula s = 1 ħ . La emisión de un W +o W − El bosón disminuye o aumenta 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 Z puede cambiar el tipo de partícula, por ejemplo, cambiando un quark extraño en un quark arriba . 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 Z 0 Un bosón solo puede cambiar el espín, el momento y la energía de la otra partícula. (Véase también Corriente neutra débil ).

Relaciones con la fuerza nuclear débil

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

Los bosones W y Z  son partículas portadoras que median la fuerza nuclear débil, de forma similar a como 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 beta . Consideremos, por ejemplo, la desintegración beta del cobalto-60 .

60 27 Co→ 60 28 Ni++mi −+ νmi

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

n 0→ p ++ e −+ νmi

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 abajo el que interactúa en la desintegración beta, transformándose en un quark arriba para formar un protón ( u u d ). En el nivel más fundamental, entonces, la fuerza débil cambia el sabor de un solo quark:

d → u + W −

lo cual es seguido inmediatamente por la desintegración del W −sí mismo:

W −→ e −+ νmi

bosones Z

El Z 0 El bosón Z es su propia antipartícula . Por lo tanto, todos sus números cuánticos de sabor y cargas son cero. El intercambio de un bosón Z  entre partículas, denominado interacción de corriente neutra , deja a las partículas interactuantes inalteradas, excepto por una transferencia de espín y/o momento . [ b ]

 Las interacciones del bosón Z que involucran neutrinos tienen características distintivas: proporcionan el único mecanismo conocido para la dispersión elástica de neutrinos en la materia; los neutrinos tienen casi la misma probabilidad de dispersarse elásticamente (a través del intercambio del bosón Z  ) que inelásticamente (a través  del intercambio del bosón W). [ c ] Poco después (también en 1973), se confirmaron corrientes neutras débiles a través del intercambio del bosón Z  en un experimento de neutrinos en la cámara de burbujas de Gargamelle en el CERN . [ 8 ]

Predicciones de los bosones W + , W − y Z 0

Diagrama de Feynman que muestra el intercambio de un par de bosones W.  Este es uno de los términos principales que contribuyen a la oscilación del kaón neutro .

Tras el éxito de la electrodinámica cuántica en la década de 1950, se realizaron intentos para formular una teoría similar de la fuerza nuclear débil. Esto culminó alrededor de 1968 con una teoría unificada del electromagnetismo y las interacciones débiles por Sheldon Glashow , Steven Weinberg y Abdus Salam , por la cual compartieron el Premio Nobel de Física de 1979. [ 7 ] [ c ] Su teoría electrodébil postuló no solo los bosones W  necesarios para explicar la desintegración beta, sino también un nuevo bosón Z  que nunca se había observado.

El hecho de que los bosones W y Z  tengan masa mientras que los fotones no la tengan 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 carece de masa porque el electromagnetismo se describe mediante una teoría de gauge U(1) . Se requiere algún mecanismo para romper la simetría SU(2), otorgando masa a los bosones W y Z en el proceso. El mecanismo de Higgs , propuesto por primera vez en los artículos de ruptura de simetría del 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 +, Z 0y W − Los bosones forman sus componentes longitudinales, y el resto aparece como el bosón de Higgs de espín 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 el modelo de Glashow-Weinberg-Salam . Hoy en día, se acepta ampliamente como uno de los pilares del Modelo Estándar de la física de partículas, especialmente tras el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 por los experimentos CMS y ATLAS .

El modelo predice que W ±y Z 0 Los bosones tienen las siguientes masas: metroW±=12vgramometroZ0=12vgramo2+gramo′2{\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}}} dóndegramo{\displaystyle g}es el acoplamiento de calibre SU(2),gramo′{\displaystyle g'}es el acoplamiento de calibre U(1), yv{\displaystyle v}es el valor esperado del 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 enormes inversiones en aceleradores y detectores de partículas , de los que solo disponen unos pocos laboratorios de física de altas energías en el mundo (y solo después de 1983). Esto se debe a que los bosones Z  se comportan de manera similar a los fotones, pero no adquieren importancia hasta que la energía de la interacción es comparable con la masa relativamente grande del bosón Z. 

El descubrimiento de los bosones W y Z  fue considerado un gran éxito para el CERN. En 1973, se observó la interacción de corrientes neutras, tal como predecía la teoría electrodébil. La enorme cámara de burbujas de Gargamelle fotografió las trayectorias producidas por las interacciones de neutrinos y observó eventos en los que un neutrino interactuaba, pero no producía un leptón correspondiente. Esta es una característica distintiva de la interacción de corrientes neutras y se interpreta como el intercambio de un bosón Z  invisible por un protón o neutrón dentro de la cámara de burbujas. El neutrino es indetectable, por lo que el único efecto observable es el momento que la interacción le confiere al protón o neutrón.

El descubrimiento de los bosones W y Z  requirió la construcción de un acelerador de partículas lo suficientemente potente como para producirlos. La primera máquina de este tipo disponible fue el Super Sincrotrón de Protones , donde se observaron señales inequívocas de bosones W en enero de 1983 durante una serie de experimentos realizados por Carlo Rubbia y Simon van der Meer . Los experimentos se denominaron UA1 (dirigido por Rubbia) y UA2 (dirigido por Pierre Darriulat ) [ 9 ] y fueron fruto de la colaboración de numerosas personas. Van der Meer fue el principal impulsor del acelerador ( enfriamiento estocástico ). UA1 y UA2 descubrieron el bosón Z unos meses después, en mayo de 1983. Rubbia y van der Meer recibieron de inmediato el Premio Nobel de Física de 1984, un hecho inusual para la conservadora Fundación Nobel [ 10 ] .     

El W +, W −y Z 0 Los bosones, junto con el fotón ( γ ), comprenden los cuatro bosones de gauge de la interacción electrodébil .

Mediciones de la masa del bosón W

En mayo de 2024, el Particle Data Group estimó que la masa promedio mundial del bosón W era de 80369,2 ± 13,3 MeV, basándose en los experimentos realizados hasta la fecha. [ 11 ]

A partir de 2021, las mediciones experimentales de la masa del bosón W se habían evaluado de manera similar para converger alrededor de80 379 ± 12  MeV , [ 12 ] todos consistentes entre sí y con el Modelo Estándar.

En abril de 2022, un nuevo análisis de datos históricos del colisionador Tevatron de Fermilab antes de su cierre en 2011 determinó que la masa del bosón W era80 433 ± 9  MeV , que estaba siete desviaciones estándar por encima de lo predicho por el Modelo Estándar. [ 13 ] Además de ser inconsistente con el Modelo Estándar, la nueva medición también era inconsistente con mediciones anteriores como ATLAS. Esto sugiere que o bien las mediciones antiguas o las nuevas tenían un error sistemático inesperado, como una peculiaridad no detectada en el equipo. [ 14 ] Esto llevó a una reevaluación cuidadosa de este análisis de datos y otras mediciones históricas, así como a la planificación de futuras mediciones para confirmar el posible nuevo resultado. El subdirector de Fermilab, Joseph Lykken, reiteró que "... la (nueva) medición necesita ser confirmada por otro experimento antes de que pueda interpretarse completamente". [ 15 ] [ 16 ]

En 2023, un experimento ATLAS mejorado midió la masa del bosón W en80 360 ± 16  MeV , en concordancia con las predicciones del Modelo Estándar. [ 17 ] [ 18 ]

El Grupo de Datos de Partículas convocó un grupo de trabajo sobre la medición de la masa del bosón W en el Tevatron, que incluía a expertos en la masa del bosón W de todos los experimentos de colisionadores de hadrones realizados hasta la fecha, para comprender la discrepancia. [ 1 ] En mayo de 2024 concluyeron que la medición del Detector de Colisiones en Fermilab (CDF) era un valor atípico, y la mejor estimación de la masa provino de excluir esa medición del metaanálisis. "El valor correspondiente de la masa del bosón W es m W =80 369 .2 ± 13.3  MeV , que citamos como el promedio mundial." [ 19 ] [ 20 ] [ 11 ]

En septiembre de 2024, el experimento CMS midió la masa del bosón W en80 360,2 ± 9,9  MeV . Esta fue la medición más precisa hasta la fecha, obtenida a partir de observaciones de un gran número de desintegraciones W → μν . [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]

Decadencia

Los bosones W y Z  se desintegran en pares de fermiones , pero ninguno de los dos tiene energía suficiente para desintegrarse en el quark top  de mayor masa . Si se desprecian los efectos del espacio de fases y las correcciones de orden superior, se pueden calcular estimaciones sencillas de sus fracciones de ramificación a partir de las constantes de acoplamiento .

bosones W

 Los bosones W pueden desintegrarse en un leptón y un antileptón (uno de ellos cargado y el otro neutro) [ d ] o en un quark y un antiquark de tipos complementarios (con cargas eléctricas opuestas ± + 1/3 e y ∓ + 2/3 e ) . El ancho de desintegración delbosón W en un par quark-antiquark es proporcional al cuadrado del elemento de la matriz CKM correspondiente y al número de colores de quarks , N C = 3. Los anchos de desintegración para el bosón W + son entonces proporcionales a:    

Aquí, e +, μ +, τ +denotan los tres sabores de leptones (más exactamente, los antileptones con carga positiva ). νe ,νμ ,ντ denota los tres sabores de neutrinos. Las demás partículas, comenzando conuyd, denotanquarksy antiquarks (se aplicaNCVij{\displaystyle V_{ij}}denotan los coeficientes correspondientes de la matriz CKM . [ e ]

La unitariedad de la matriz CKM implica que  |Vud|2+|Va nosotros|2+|Vub|2 ={\displaystyle ~|V_{\text{ud}}|^{2}+|V_{\text{us}}|^{2}+|V_{\text{ub}}|^{2}~=} |Vcd|2+|Vcs|2+|Vcb|2=1 ,{\displaystyle ~|V_{\text{cd}}|^{2}+|V_{\text{cs}}|^{2}+|V_{\text{cb}}|^{2}=1~,}Por lo tanto, cada una de las dos filas de quarks suma 3. En consecuencia, las razones de ramificación leptónica del bosón W  son aproximadamenteB(mi+νmi)={\displaystyle \,B(\mathrm {e} ^{+}\mathrm {\nu } _{\mathrm {e} })=\,}B(μ+νμ)={\displaystyle \,B(\mathrm {\mu } ^{+}\mathrm {\nu } _ {\mathrm {\mu } })=\,}B(τ+ντ)={\displaystyle \,B(\mathrm {\tau } ^{+}\mathrm {\nu } _ {\mathrm {\tau } })=\,}1/9 . La razón de ramificación hadrónica está dominada por los estados finales u d y c s favorecidos por CKM. La suma de las razones de ramificación hadrónica se ha medido experimentalmente como:67,60 ± 0,27% , conB(ℓ+νℓ)={\displaystyle \,B(\ell ^{+}\mathrm {\nu } _{\ell })=\,}10,80 ± 0,09% . [ 24 ]

bosón Z 0

 Los bosones Z se desintegran en un fermión y su antipartícula. A medida que el Z 0 El bosón es una mezcla del W 0 de pre -ruptura de simetríay B 0 bosones (ver ángulo de mezcla débil ), cada factor de vértice incluye un factor ⁠T3−Qpecado2θW{\displaystyle T_{3}-Q\sin ^{2}\,\theta _{\text{W}}}, dondeT3{\displaystyle T_{3}}es el tercer componente del isospín débil del fermión (la "carga" para la fuerza débil),Q{\displaystyle Q}es la carga eléctrica del fermión (en unidades de la carga elemental ), yθw{\displaystyle \theta _ {\text{w}}}es el ángulo de mezcla débil . Debido al isospín débil(T3){\displaystyle (T_{3})}es diferente para fermiones de diferente quiralidad , ya sean levógiros o dextrógiros , el acoplamiento también es diferente.

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

Para mantener la notación compacta, la tabla utiliza ⁠incógnita=pecado2⁡ θw≈14{\displaystyle x=\sin ^{2}\ \theta _{\text{w}}\approx {\tfrac {1}{4}}}⁠ .

* La desintegración imposible en un par quark top -antiquark se omite de la tabla. [ g ]

Los subtítulos de la izquierda y la derecha indican la quiralidad o "orientación" de los fermiones. [ f ]

En 2018, la colaboración CMS observó la primera desintegración exclusiva del bosón Z  en un mesón ψ y un par leptón -antileptón. [ 26 ]

Véase también

Notas a pie de página

  1. ↑ Debido a que los neutrinos no se ven afectados ni por la fuerza fuerte ni por la fuerza electromagnética , y debido a que la fuerza gravitatoria entre partículas subatómicas es despreciable, por deducción (técnicamente, abducción ) , dicha interacción solo puede ocurrir a través de la fuerza débil. Dado que dicho electrón no se crea a partir de un nucleón (el núcleo que queda permanece igual que antes) y el electrón que parte no cambia, excepto por el impulso impartido por el neutrino, esta interacción de fuerza entre el neutrino y el electrón debe estar mediada por un bosón de la fuerza débil electromagnéticamente neutro . Por lo tanto, dado que no se conoce ningún otro portador de fuerza neutro que interactúe con neutrinos, la interacción observada debe haber ocurrido por intercambio de un Z 0 bosón.
  2. ↑ Sin embargo, consulte Corriente neutra que cambia el sabor para una conjetura de que un intercambio Z poco frecuente podría causar un cambio de sabor.
  3. 1 2 La primera predicción de los bosones Z  fue realizada por el físico brasileño José Leite Lopes en 1958, [ 6 ] al idear una ecuación que mostraba la analogía de las interacciones nucleares débiles con el electromagnetismo. Steve Weinberg, Sheldon Glashow y Abdus Salam posteriormente utilizaron estos resultados para desarrollar la unificación electrodébil, [ 7 ] en 1973.
  4. ↑ Específicamente: W −→ leptón cargado + antineutrino W +→ antileptón cargado + neutrino
  5. ↑ 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 autoestado de masa del neutrino, con anchos de desintegración proporcionales a ⁠|Ue1|2{\displaystyle \vert U_{\text{e1}}\vert ^{2}},​​|Ue2|2{\displaystyle \vert U_{\text{e2}}\vert ^{2}},​​|Ue3|2{\displaystyle \vert U_{\text{e3}}\vert ^{2}}( elementos de la matriz PMNS ), pero los experimentos actuales que miden las desintegraciones no pueden discriminar entre los autoestados de masa del neutrino: miden el ancho total de desintegración de la suma de los tres procesos.
  6. 1 2 En el Modelo Estándar, los neutrinos diestros (y los antineutrinos zurdos) no existen; sin embargo, algunas extensiones más allá del Modelo Estándar los permiten. Si existen, todos tienen isospín T 3  = 0 y carga eléctrica Q  = 0, y con carga de color también cero. Las cargas nulas los hacen "estériles" , es decir, incapaces de interactuar mediante las fuerzas débil o eléctrica, y tampoco interactúan mediante la fuerza fuerte.
  7. ↑ La masa del quark t más un t es mayor que la masa del bosón Z  , por lo que no tiene energía suficiente para desintegrarse en un par de quarks t t .

Referencias

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  2. 1 2 3 Navas, S.; et al. (Particle Data Group) (agosto de 2024). "Revisión de la física de partículas" . Physical Review D. 110 ( 3) 030001. doi : 10.1103/PhysRevD.110.030001 . , esp. Bosones de gauge y de Higgs Error de cita: La referencia con nombre "PDG2024Z" se definió varias veces con contenido diferente (consulte la página de ayuda ).
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