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w玻色子
鎖定
- 中文名
- w玻色子
- 類 型
- 基本粒子
- 時 間
- 1983年
- 地 點
- 歐洲原子能研究中心
w玻色子簡介
W玻色子是因弱核力的“弱”(Weak)字而命名的。而Z玻色子則半幽默地因是“最後一個要發現的粒子”而名。另一個説法是因Z玻色子有零(Zero)電荷而得名。
w玻色子基本性質
這些玻色子在各種基本粒子之中屬重型的一類。W的質量為80.399 ± 0.023 GeV,而Z則為91.1876 ± 0.0021 GeV。它們差不多是質子質量的一百倍——比鐵原子還要重。玻色子的質量是十分重要的,因其限制了弱核力的相用範圍。相對地,電磁力的相用範圍無限遠因為光子無質量。
w玻色子弱相互作用
但中子和質子都只是夸克的組合(中子是“上下下”,質子是“上上下”)。中子的一粒下夸克在β衰變中受弱相互作用的影響而變成上夸克:
w玻色子研究歷史
於1950年代量子電動力學的空前成功後,科學家希望為弱核力建立相似的理論。於1968年,這個論調在統一電磁力和弱核力後達到高潮。提出弱電統一的謝爾登·格拉肖、史蒂文·温伯格和阿卜杜勒·薩拉姆因此得到1979年的諾貝爾物理學獎。他們的弱電理論不止假設了W玻色子的存在來解釋β衰變,還預測有一種未被發現的Z玻色子。
W和Z玻色子有質量,而光子卻沒有——這是弱電理論發展的一大障礙。這些粒子現時以一個SU(2)規範理論來精確描述,但理論中玻色子必定無質量。譬如,光子無質量是因為電磁力能以一個U(1)規範理論解釋。某些機制必須破壞SU(2)的對稱來給予W和Z玻色子的質量。其中一個解釋是由彼得·希格斯於1960年代晚期提出的希格斯機制。它預言了一種新粒子——希格斯玻色子(現今此粒子已被證實存在了)。
SU(2)測量儀理論、電磁力和希格斯機制三者的組合稱為格拉肖-温伯格-薩拉姆模型。它是目前廣泛接受為標準模型的一大支柱。
W和Z粒子的發現是歐洲核子研究組織的主要成就之一。首先,於1973年,實驗觀察到了弱電理論預測的中性流作用;那時加爾加梅勒的氣泡室拍攝到有一些電子突然自行移動的軌跡。這些觀測結果被詮釋為中微子藉由交換沒有軌跡的Z玻色子與電子互相作用。由於中微子是偵測不到的,因此實驗中只能看到電子因着交互作用而造成的動量改變。
W和Z粒子要到能量夠高的粒子加速器建立後才正式被發現。第一部這樣的加速器是超級質子同步加速器,其中卡洛·魯比亞和西蒙·範德梅爾在1983年一月進行的一連串實驗給出了明顯的W粒子證據。這些實驗稱作“UA1”(由魯比亞主導)和“UA2”,且為眾多人合作的努力成果。範德梅爾是加速器方面的驅策者(隨機冷卻)。UA1和UA2在幾個月後(1983年五月)找到Z粒子。很快地魯比亞和範德梅爾因而得到1984年的諾貝爾物理學獎,這可算是保守的諾貝爾獎基金會自成立以來相當不尋常迅速的一次。
2022年4月,研究人員利用對撞機探測器(Collider Detector at Fermilab,CDF)的數據,發現W玻色子的質量比標準模型預測的更重,達到了80433.5±9.4 MeV/c2。標準模型理論預測質量應該為80357±6 MeV/c2,大約為質子質量的80倍。雖然實驗結果只比理論預測多了77 MeV/c2,但是實驗精度更高,和理論預測存在7倍標準差的偏差,表明結果只有大約四千億分之一概率是偶然隨機造成的。CDF團隊在論文中表示,可能是超對稱貢獻了W玻色子額外的質量,超對稱是一種可能統一所有基本相互作用的物理學模型,目前科學家還沒有找到它的證據。但是由於實驗結果卻和其他實驗不一致,這依然可能是其他原因(如設備故障)所造成的。
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- 參考資料
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- 1. 李政道. 場論與粒子物理學[M]. 科學出版社, 1980.
- 2. 十年來最重要物理發現:顛覆標準模型,實驗儀器卻已被拆 .環球科學.2022-04-11[引用日期2022-04-22]