Bosones W y Z

Partículas elementales; bosones gauge que median la interacción débil

En física de partículas , los bosones W y Z son bosones vectoriales que juntos se conocen como bosones débiles o, de manera más general, como bosones vectoriales intermedios . Estas partículas elementales median la interacción débil ; los símbolos respectivos son
Yo⁺
,
Yo⁻
, y
O⁰
. El
Yo^±
Los bosones tienen una carga eléctrica  positiva o negativa de 1 carga elemental y son antipartículas entre sí .
O⁰
 El bosón es eléctricamente neutro y es su propia antipartícula. Las tres partículas tienen cada una un espín de 1.
Yo^±
 Los bosones tienen un momento magnético, pero el
O⁰
no tiene ninguno. Las 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 denomina el Modelo Estándar de la física de partículas .

El
Yo
 Los bosones reciben su nombre de la fuerza débil . El físico Steven Weinberg denominó a la partícula adicional "
O
 partícula", ^[4] y más tarde dio la explicación de que era la última partícula adicional que necesitaba el modelo.
Yo
 Los bosones ya habían sido nombrados, y el
O
 Los bosones recibieron ese nombre por tener carga eléctrica cero . ^[5]

Los dos
Yo
 Los bosones son mediadores comprobados de la absorción y emisión de neutrinos . Durante estos procesos,
Yo^±
 La carga del bosón induce la emisión o absorción de electrones o positrones, causando así la transmutación nuclear .

El
O
 El bosón media la transferencia de momento, 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 los neutrinos y puede observarse en cámaras de burbujas tras la irradiación con haces de neutrinos.
O
 El bosón Z no está involucrado 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 un neutrino que interactúa con el electrón (con la transferencia de momento a través del bosón Z), ya que este comportamiento ocurre con más frecuencia cuando está presente el haz de neutrinos. En este proceso, el neutrino simplemente golpea al electrón (a través del intercambio de un bosón) y luego se dispersa lejos de él, transfiriendo parte del momento del neutrino al electrón. ^[a]

Propiedades básicas

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
Yo
y
O
 Los bosones son casi 80 veces más masivos que el protón (más pesados, incluso, 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, lo que es coherente con el alcance 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; véase Confinamiento del color ).

Los tres bosones tienen un espín de partícula s  = 1. La emisión de un
Yo⁺
o
Yo⁻
 El bosón reduce 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
Yo^±
 El bosón Z puede cambiar el tipo de partícula, por ejemplo, cambiando un quark extraño en un quark arriba . El bosón neutro Z no puede cambiar la carga eléctrica de ninguna partícula, ni puede cambiar ninguna otra de las llamadas " cargas " (como la extrañeza , el número bariónico , el encanto , etc.). La emisión o absorción de un
O⁰
 El bosón sólo puede cambiar el giro, el momento y la energía de la otra partícula. (Véase también Corriente neutra débil ).

Relaciones con la fuerza nuclear débil

Diagrama de Feynman para la desintegración beta de un neutrón en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico a través de un intermedio.
Yo⁻
 bosón

El
Yo
y
O
 Los bosones son partículas portadoras que median la fuerza nuclear débil, de la misma manera que el fotón es la partícula portadora de la fuerza electromagnética.

Bosones W

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

⁶⁰
₂₇Co
→⁶⁰
₂₈Ni
⁺ +mi−+nomi

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

norte⁰
→pag++mi−+nomi

De nuevo, el neutrón no es una partícula elemental, sino un compuesto de un quark up y dos quarks down (
tú

d

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

tú

d
). En el nivel más fundamental, entonces, la fuerza débil cambia el sabor de un solo quark:

d→tú+
Yo⁻

que es inmediatamente seguida por la decadencia de la
Yo⁻
sí mismo:

Yo⁻
→mi−+nomi

Bosones Z

El
O⁰
 El bosón es su propia antipartícula . Por lo tanto, todos sus números cuánticos y cargas de sabor son cero. El intercambio de un
O
 Por lo tanto, la interacción de bosones entre partículas, llamada interacción de corriente neutra , no afecta a las partículas que interactúan, excepto por una transferencia de giro y/o momento . ^[b]

O
 Las interacciones de bosones 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 de
O
 intercambio de bosones) de forma inelástica (a través del intercambio de bosones W). ^[c] Corrientes neutras débiles a través de
O
 El intercambio de bosones se confirmó poco después (también en 1973), en un experimento de neutrinos en la cámara de burbujas Gargamelle en el CERN . ^[8]

Predicciones del W+, yo−y Z0bosones

Un diagrama de Feynman que muestra el intercambio de un par de
Yo
 bosones. Este es uno de los términos principales que contribuyen a la oscilación neutral del 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 en una teoría unificada del electromagnetismo y las interacciones débiles por Sheldon Glashow , Steven Weinberg y Abdus Salam , por la que compartieron el Premio Nobel de Física de 1979. ^{[7] [c]} Su teoría electrodébil postulaba no solo la
Yo
 bosones necesarios para explicar la desintegración beta, pero también una nueva
O
 bosón que nunca había sido observado.

El hecho de que la
Yo
y
O
 Los bosones tienen masa mientras que los fotones no tienen masa, lo que fue un gran obstáculo para 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 deben ser sin 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), lo que le da masa a los bosones.
Yo
y
O
En el proceso, el mecanismo de Higgs , propuesto por primera vez en los artículos de ruptura de simetría de PRL de 1964 , cumple esta función. Requiere la existencia de otra partícula, el bosón de Higgs , que se ha encontrado desde entonces 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
Yo⁺
,
O⁰
, y
Yo⁻
 bosones para formar sus componentes longitudinales, y el resto aparece como el bosón de Higgs de espín 0.

La combinación de la teoría de calibración 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 es ampliamente aceptado como uno de los pilares del Modelo Estándar de la física de partículas, en particular dado el descubrimiento en 2012 del bosón de Higgs por los experimentos CMS y ATLAS .

El modelo predice que
Yo^±
y
O⁰
 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 es el acoplamiento de calibre SU(2), es el acoplamiento de calibre U(1) y es el valor esperado del vacío del Higgs . ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle g'}$ ${\displaystyle v}$

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 de partículas y detectores de partículas , como los que están disponibles solo en unos pocos laboratorios de física de alta energía en el mundo (y eso que solo se fabricaron a partir de 1983). Esto se debe a que
O
 Los bosones se comportan de manera similar a los fotones, pero no se vuelven importantes hasta que la energía de la interacción es comparable con la masa relativamente grande del átomo.
O
 bosón.

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

El descubrimiento de la
Yo
y
O
 Los propios bosones tuvieron que esperar a la construcción de un acelerador de partículas lo suficientemente potente como para producirlos. La primera máquina de este tipo que estuvo disponible fue el Super Sincrotrón de Protones , donde se podían obtener señales inequívocas de
Yo
 Los bosones se observaron en enero de 1983 durante una serie de experimentos que fueron posibles gracias a Carlo Rubbia y Simon van der Meer . Los experimentos reales se denominaron UA1 (dirigido por Rubbia) y UA2 (dirigido por Pierre Darriulat ), ^[9] y fueron el resultado del esfuerzo colaborativo de muchas personas. Van der Meer fue la fuerza impulsora del extremo del acelerador ( enfriamiento estocástico ). UA1 y UA2 encontraron el
O
 bosón Unos meses más tarde, en mayo de 1983. Rubbia y van der Meer recibieron rápidamente el Premio Nobel de Física de 1984, una decisión muy inusual para la conservadora Fundación Nobel . ^[10]

El
Yo⁺
,
Yo⁻
, y
O⁰
 Los bosones, junto con el fotón (
gamma
), comprenden los cuatro bosones de calibre de la interacción electrodébil .

Medición inesperada de la masa del bosón W en 2022

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 en torno a80 379 ± 12 MeV . ^[11]

Sin embargo, en abril de 2022, un nuevo análisis de datos obtenidos por el colisionador Tevatron de Fermilab 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 probabilidad de que una masa tan grande surgiera por un error de observación no sistemático . ^[13] Según Ashutosh Kotwal de la Universidad de Duke y el líder de la colaboración Collider Detector en Fermilab, la luminosidad del haz más bajo utilizada redujo la posibilidad de que los eventos de interés se vieran oscurecidos por otras colisiones y que el uso de colisiones protón-antiprotón simplifica el proceso de aniquilación quark-antiquark, que luego se desintegra para dar un leptón y un neutrino . ^[14] El equipo encriptó deliberadamente sus datos y se retuvo cualquier resultado preliminar hasta que se completó 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 explicadas por el Modelo Estándar, y que podrían explicarse por teorías como la supersimetría . ^[13] El físico teórico ganador del Nobel Frank Wilczek describió el resultado como una "obra monumental". ^[15]

Además de ser inconsistente con el Modelo Estándar, la nueva medición también es inconsistente con mediciones anteriores como ATLAS. Esto sugiere que tanto las mediciones antiguas como las 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, si es que hay alguna, es el correcto. ^[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 Maguncia , comentó que "no creo que tengamos que discutir qué nueva física podría explicar la discrepancia entre el CDF [Detector de Colisionadores del Fermilab] y el Modelo Estándar; primero tenemos que entender por qué 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 , lo que se alineó con las predicciones del Modelo Estándar. ^{[18] [19]}

En mayo de 2024, el Grupo de Datos de Partículas llegó a la siguiente conclusión: ^[20] "El Grupo de Trabajo de Masa W del LHC-TeV, que incluye expertos en masa W de todos los experimentos de colisionadores de hadrones, CDF, D0, ATLAS, CMS, LHCb, ha estado trabajando para comprender mejor la naturaleza de este desacuerdo y sugerir una forma de avanzar para obtener un valor promedio mundial de la masa W. ... El grupo informa ^[21] que una combinación de todas las mediciones de masa W tiene una probabilidad de compatibilidad de solo el 0,5% y, por lo tanto, no es favorable. Se obtiene una probabilidad de compatibilidad del 91% cuando se elimina la medición CDF-II. El valor correspondiente de la masa del bosón W es mW = 80369,2 ± 13,3 MeV, que citamos como el promedio mundial". ^[22]

En septiembre de 2024, el experimento CMS publicó en una preimpresión la medición más precisa de la masa del bosón W hasta el momento, 80 360,2 ± 9,9 MeV y también la más acorde con el valor predicho por el modelo estándar, los resultados se obtuvieron a partir de datos de desintegraciones. ^{[23] [24] [25]} ${\displaystyle \mathrm {W} \to \mu \nu }$

Decadencia

El
Yo
y
O
 Los bosones se desintegran en pares de fermiones, pero ni el
Yo
ni el
O
Los bosones tienen energía suficiente para desintegrarse en el quark top  de mayor masa . Si se descuidan los efectos del espacio de fases 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

Yo
 Los bosones pueden desintegrarse en un leptón y un antileptón (uno de ellos cargado y otro neutro) ^[d] o en un quark y un 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 de matriz CKM cuadrado correspondiente y al número de colores de quarks , N _C = 3 . Los anchos de desintegración del bosón W ⁺  son entonces proporcionales a:

Aquí,
mi⁺
,
micras⁺
,
τ⁺
denotan los tres sabores de leptones (más exactamente, los antileptones con carga positiva ).
no
_mi,
no
_micras,
no
_τdenotan los tres sabores de neutrinos. Las otras partículas, comenzando con
tú
y
d
, todos denotan quarks y antiquarks ( se aplica el factor N _{C ). Los diversos denotan los coeficientes} de la matriz CKM correspondientes . ^[e] ${\displaystyle \,V_{ij}\,}$

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 proporciones de ramificación leptónica de la ${\displaystyle ~|V_{\text{ud}}|^{2}+|V_{\text{us}}|^{2}+|V_{\text{ub}}|^{2}~=}$ ${\displaystyle ~|V_{\text{cd}}|^{2}+|V_{\text{cs}}|^{2}+|V_{\text{cb}}|^{2}=1~,}$
Yo
 Los bosones 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
tú

d
y
do

s
estados finales. La suma de las razones de ramificación hadrónica se ha medido experimentalmente y es67,60 ± 0,27% , con ${\displaystyle \,B(\ell ^{+}\mathrm {\nu } _{\ell })=\,}$ 10,80 ± 0,09 % . ^[26]

O0bosón

O
 Los bosones se desintegran en un fermión y su antipartícula.
O⁰
 El bosón es una mezcla de la ruptura de simetría anterior.
Yo⁰
y
B⁰
 bosones (ver ángulo de mezcla débil ), cada factor de vértice incluye un factor donde es el tercer componente del isospín débil del fermión (la "carga" de la fuerza débil), es la carga eléctrica del fermión (en unidades de la carga elemental ), y es el ángulo de mezcla débil . Debido a que el isospín débil es diferente para fermiones de diferente quiralidad , ya sean levógiros o dextrógiros , el acoplamiento también es diferente. ${\displaystyle ~T_{3}-Q\sin ^{2}\,\theta _{\mathsf {W}}~,}$ ${\displaystyle \,T_{3}\,}$ ${\displaystyle \,Q\,}$ ${\displaystyle \;\theta _{\mathsf {w}}\;}$ ${\displaystyle (\,T_{3}\,)}$

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 sobre 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 .

Para mantener la notación compacta, la tabla utiliza ${\displaystyle ~x=\sin ^{2}\,\theta _{\text{W}}~.}$

* La desintegración imposible en un par quark top -antiquark queda fuera de la tabla. ^[g]

Los subtítulos IZQUIERDA y DERECHA indican la quiralidad o "lateralidad" de los fermiones. ^[f]

En 2018, la colaboración CMS observó la primera descomposición exclusiva de la
O
 bosón a un mesón ψ y un par leptón -antileptón. ^[28]

Véase también

• Estadísticas de Bose-Einstein  : descripción del comportamiento de los bosones
• Lista de partículas
• Formulación matemática del Modelo Estándar  – Matemáticas de un modelo de física de partículas
• Carga débil
• Bosones W′ y Z′  : partículas hipotéticas en física
• Bosones X e Y  – Partículas elementales hipotéticas: par análogo de bosones predicho por la Gran Teoría Unificada
• Dibosón ZZ  - partículas subatómicasPages displaying wikidata descriptions as a fallback

Notas al pie

1. Como los neutrinos no se ven afectados ni por la fuerza fuerte ni por la fuerza electromagnética , y como la fuerza gravitacional entre partículas subatómicas es despreciable, por deducción (técnicamente, abducción ) , tal interacción solo puede ocurrir a través de la fuerza débil. Como tal electrón no se crea a partir de un nucleón (el núcleo que queda atrás sigue siendo el mismo que antes) y el electrón que se va 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 fuerza débil electromagnéticamente neutro . Por lo tanto, como no se conoce ningún otro portador de fuerza neutro que interactúe con el neutrino, la interacción observada debe haber ocurrido por intercambio de un
   O⁰
    bosón.
2. Sin embargo, véase Corriente neutra que cambia el sabor para una conjetura de que una rara
   O
   El intercambio podría provocar cambios de sabor.
3. La primera predicción de
   O
   El físico brasileño José Leite Lopes  descubrió la ecuación de los bosones 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 utilizaron posteriormente estos resultados para desarrollar la unificación electrodébil ^[7] en 1973.
4. En concreto:
   
   Yo⁻
   → leptón cargado + antineutrino
   
   Yo⁺
   → 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
   mi⁺
   
   no
   ₁ ,
   mi⁺
   
   no
   ₂ ,
   mi⁺
   
   no
   ₃ , para cada estado propio de masa de neutrino, con anchos de desintegración proporcionales a ( elementos de la matriz PMNS ), pero los experimentos actuales que miden las desintegraciones no pueden discriminar entre estados propios de masa de neutrino: miden el ancho de desintegración total de la suma de los tres procesos. ${\displaystyle \,|U_{\text{e1}}|^{2}\,,}$ ${\displaystyle \,|U_{\text{e2}}|^{2}\,,}$ ${\displaystyle \,|U_{\text{e3}}|^{2}\,}$
6. En el Modelo Estándar, los neutrinos dextrógiros (y los antineutrinos levógiros) 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 todas cero los hacen "estériles" , es decir, incapaces de interactuar ni por las fuerzas débiles ni por las eléctricas, ni tampoco por interacciones de fuerza fuerte.
7. La masa de la
   a
   quark más a
   a
   es mayor que la masa de la
   O
    bosón, por lo que no tiene suficiente energía para desintegrarse en un
   a
   
   a
   par de quarks.

Referencias

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Enlaces externos

• Medios relacionados con los bosones W y Z en Wikimedia Commons
• The Review of Particle Physics, la fuente definitiva de información sobre las propiedades de las partículas.
• Las partículas W y Z: un recuerdo personal de Pierre Darriulat
• Cuando el CERN vio el fin del alfabeto por Daniel Denegri
• Partículas W y Z en Hyperphysics