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
z0
. El
W.±
Los bosones tienen una carga eléctrica positiva o negativa de 1 carga elemental y son antipartículas entre sí . El
z0
El bosón es eléctricamente neutro y es su propia antipartícula. Cada una de las tres partículas tiene un espín 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 .
El
W.
Los bosones reciben el nombre de la fuerza débil . El físico Steven Weinberg llamó a la partícula adicional "
z
partícula", [4] y luego dio la explicación de que era la última partícula adicional que necesitaba el modelo.
W.
Los bosones ya habían sido nombrados, y los
z
Los bosones recibieron su nombre por tener carga eléctrica cero . [5]
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 .
El
z
El bosón media la transferencia de impulso, giro 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 el electrón (mediante el intercambio de un bosón) y luego se dispersa, transfiriendo parte del impulso del neutrino al electrón. [a]
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 átomos de hierro enteros .
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 alcance de la fuerza nuclear fuerte está limitado por diferentes razones; ver Confinamiento del color ).
Los tres bosones tienen espín de partícula 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, cambiando un quark extraño en un quark up . El bosón Z neutro no puede cambiar la carga eléctrica de ninguna partícula, ni tampoco puede cambiar ninguna otra de las llamadas " cargas " (como extrañeza , número bariónico , encanto , etc.). La emisión o absorción de un
z0
El bosón sólo puede cambiar el giro, el impulso y la energía de la otra partícula. (Ver también Corriente neutra débil ).
El
W.
y
z
Los bosones son partículas portadoras que median en la fuerza nuclear débil, de la misma manera que el fotón es la partícula portadora de la fuerza electromagnética.
El
W.±
Los bosones son más conocidos por su papel en la desintegración nuclear . Consideremos, por ejemplo, la desintegración beta del cobalto-60 .
Esta reacción no implica a todo el núcleo de cobalto-60 , sino que afecta sólo a uno de sus 33 neutrones. El neutrón se convierte en un protón al mismo tiempo que emite un electrón (a menudo llamado partícula beta en este contexto) y un antineutrino electrónico:
Nuevamente, el neutrón no es una partícula elemental sino un compuesto de un quark arriba y dos quarks abajo (
tu
d
d
). Es uno de los quarks down que interactúa en la desintegración beta, convirtiéndose en un quark up para formar un protón (
tu
tu
d
). Entonces, en el nivel más fundamental, la fuerza débil cambia el sabor de un solo quark:
que es inmediatamente seguido por la decadencia del
W.−
sí mismo:
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, llamada interacción de corriente neutra , por lo tanto, no afecta a las partículas que interactúan, excepto por una transferencia de espín y/o impulso . [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; 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). [c] Corrientes neutras débiles a través de
z
El intercambio de bosones se confirmó poco después (también en 1973), en un experimento con neutrinos en la cámara de burbujas Gargamelle del CERN . [8]
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 . [7] [c] Su teoría electrodébil postuló no sólo la
W.
bosones necesarios para explicar la desintegración beta, pero también un nuevo
z
bosón que nunca había sido 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 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 por 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 spin-0.
La combinación de la teoría del 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 bosones tienen las siguientes masas:
donde es el acoplamiento de calibre SU(2), es el acoplamiento de calibre U(1) y es el valor esperado del vacío de Higgs .
A diferencia de la desintegración beta, la observación de interacciones de corrientes neutras que involucran partículas distintas de neutrinos requiere enormes inversiones en aceleradores y detectores de partículas , como los que están disponibles sólo 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 más o menos de la misma manera que los fotones, pero no adquieren importancia hasta que la energía de la interacción es comparable con la masa relativamente enorme del
z
bosón.
El descubrimiento de la
W.
y
z
bosones fue considerado 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 con corriente neutral y se interpreta como un neutrino intercambiando una energía invisible.
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 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 Súper Sincrotrón de Protones , donde señales inequívocas de
W.
Los bosones fueron vistos en enero de 1983 durante una serie de experimentos realizados por Carlo Rubbia y Simon van der Meer . Los experimentos reales se llamaron UA1 (dirigido por Rubbia) y UA2 (dirigido por Pierre Darriulat ), [9] y fueron el esfuerzo colaborativo de muchas personas. Van der Meer fue el impulsor del 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 . [10]
El
W.+
,
W.−
, y
z0
bosones, junto con el fotón (
γ
), comprenden los cuatro bosones de calibre de la interacción electrodébil .
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 alrededor80 379 ± 12 MeV . [11]
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 era80 433 ± 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 [12] solo debería haber una billonésima de probabilidad de que surja una masa tan grande mediante observaciones no sistemáticas. error . [13] 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 fueran oscurecidos por otras colisiones y que el uso de colisiones protón-antiprotón simplifica la proceso de aniquilación quark-antiquark, que luego se descompuso para dar un leptón y un neutrino . [14] El equipo cifró deliberadamente sus datos y se ocultó cualquier resultado preliminar hasta que se completara el análisis, para evitar que el "sesgo de confirmación" distorsionara su interpretación de los datos. [15] Kotwal lo describió como "la grieta más grande en esta hermosa teoría", especulando que podría ser la "primera evidencia clara" de otras fuerzas o partículas no consideradas por el modelo estándar, y que podrían explicarse por teorías como como supersimetría . [13] El físico teórico ganador del Nobel Frank Wilczek describió el resultado como un "trabajo monumental". [15]
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. [15] El subdirector del Fermilab, Joseph Lykken, reiteró que "... la (nueva) medición necesita ser confirmada por otro experimento antes de que pueda interpretarse completamente". [16] 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]". [17]
En 2023, el experimento ATLAS publicó una medición mejorada de la masa del bosón W,80 360 ± 16 MeV , que se alineó con las predicciones del modelo estándar. [18] [19] La combinación de todas las mediciones de la masa del bosón W, excluyendo la medición de CDF, produce un valor de (80369,2 ± 13,3) MeV/c², que se desvía de la medición de CDF con una significancia de 3,6σ. [20]
El
W.
y
z
Los bosones se desintegran 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 . 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 .
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 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 de quarks , N C = 3. Los anchos de desintegración del bosón W + son entonces proporcionales a:
Aquí,
mi+
,
µ+
,
τ+
denota los tres tipos de leptones (más exactamente, los antileptones con carga positiva ).
v
mi,
v
µ,
v
τdenota los tres sabores de neutrinos. Las otras partículas, empezando por
tu
y
d
, todos denotan quarks y antiquarks ( se aplica el factor N C ). Los diversos denotan los coeficientes de la matriz CKM correspondientes . [mi]
La unitaridad de la matriz CKM implica que, por lo tanto, cada una de las dos filas de quarks suma 3. Por lo tanto, las relaciones de ramificación leptónica de la
W.
bosón son aproximadamente 1/9 . La relación de ramificación hadrónica está dominada por el CKM favorecido
tu
d
y
C
s
estados finales. Se ha medido experimentalmente que la suma de las relaciones de ramificación hadrónica es67,60 ± 0,27% , con 10,80 ± 0,09% . [21]
z
Los bosones se desintegran en un fermión y su antipartícula. como el
z0
El bosón es una mezcla del bosón que rompe la presimetría.
W.0
y
B0
bosones (ver ángulo de mezcla débil ), cada factor de vértice incluye un factor donde es el tercer componente del isospin débil del fermión (la "carga" de la fuerza débil), es la carga eléctrica del fermión (en unidades del elemental carga ), y es el ángulo de mezcla débil . Debido a que el isospin débil es diferente para fermiones de diferente quiralidad , ya sean zurdos o diestros , 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, 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 .
En 2018, la colaboración CMS observó la primera decadencia exclusiva del
z
bosón a un mesón ψ y un par leptón -antileptón. [23]