Реальность W- и Z-бозонов

Драма идей в познании природы

На основе теории Глешоу-Вайнберга-Салама было предсказано, что слабое взаимодействие осуществляется за счет обмена W- и Z-промежуточными бозонами - квантами поля слабого взаимодействия.

Вероятность процесса слабого взаимодействия определяется в теории Глешоу-Вайнберга-Салама величиной, пропорциональной [e²/M_W]², где M_W - масса W-бозона. Сравнивая эту величину с соответствующей величиной, определяемой из вероятности бета-распада нейтрона (или распада мюона), можно было однозначно предсказать значение массы W-бозона, а из вероятности взаимодействия нейтральных токов - массы Z-бозона. Из-за большой массы бозонов W- и Z-взаимодействия и оказываются слабыми.

Существование фотонов буквально "очевидно" - мы убеждаемся в этом, открывая глаза их потокам. Существование W- и Z-бозонов было далеко не так просто установить. Из-за большой массы W- и Z-бозонов требуется очень большая энергия частиц, в столкновениях которых эти бозоны рождаются. Более того, родившись с такой затратой энергии, W- и Z-бозоны долго существовать не могут. Вследствие своей большой массы они распадаются на более легкие частицы. Например, W^--бозон распадается на e^-v^-, a Z - на пару e⁺e^-. Время, за которое поток частиц уменьшается в е раз из-за их распада, называется в физике временем жизни этих частиц. Время жизни W- и Z-бозонов оказывается очень малым. Оно меньше, чем 10^-24 секунды. Поэтому непосредственно наблюдать W и Z невозможно. Их кратковременное существование отражается только в появлении продуктов их распада.

В начале 1980-х годов в Европейском центре ядерных исследований вступил в строй так называемый коллайдер - установка, в которой протоны и антипротоны разгонялись навстречу друг другу до энергии 270 гигаэлектронвольт. Эта энергия намного превышает порог образования W- и Z-бозонов (у порога их образования в столкновении протона и антипротона вероятность образования W и Z ничтожна; эта вероятность становится заметной, если энергия столкновения одного кварка из протона и одного антикварка из антипротона достигает порога рождения W и Z). События их рождения и распада нужно было выделить на фоне в сто миллионов раз большего числа событий рождения других частиц. Это оказалось возможным благодаря тому, что продукты лептонных распадов W и Z, рождающихся почти в покое, могут разлетаться под любыми углами к направлению сталкивающихся пучков протонов и антипротонов и изолированы от адронных струй, а легкие частицы сохраняют направление движения, породивших их струй адронов.

Поэтому появление изолированных от адронных струй лептонов, рождающихся с энергией, равной примерно половине энергии покоя W и Z, и разлетающихся под большими углами к направлению пучков, служило сигналом рождения и распада W- и Z-бозонов.

Рождение W наблюдалось по распаду ev^-, то есть по появлению одиночного электрона, импульс которого в перпендикулярном пучку направлении был не скомпенсирован, поскольку нейтрино в установке не наблюдалось. Рождение Z наблюдалось по рождению пары е⁺e^- и m⁺m^-. Измеряя энергию и импульс продуктов распада W и Z, можно было установить массу этих частиц. Измеренные значения массы W- и Z-бозонов точно соответствовали предсказанию теории.

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год