2. Слабые распады. Константа слабого взаимодействия.

Распады за счёт слабых сил идут с сохранением лептонных зарядов (также как электрического и барионного). Однако чётность, изоспин, проекция изоспина, странность, очарование, bottom и top, т. е. кварковые квантовые числа могут не сохраняться. Для нейтрона распад: -единственный распад, допустимый законами сохранения энергии, электрического, барионного и лептонного зарядов. Примеры слабых распадов адронов –распады ^:

, 100% (12.5)

, 10^-4%. (12.6)

Время жизни ^ -2,610^-8сек.

Распад  происходит за счет электромагнитного взаимодействия

2 (98,8%)

e⁺ + e^- +  (1,2%) (12.7)

и протекает значительно быстрее (_10^-16с). В резком различии времени жизни ^ и  проявляется различие в интенсивностях электромагнитных и слабых процессов. Сильные распады протекают за времена 10^-23 – 10^-22с.

Для двухузловых диаграмм

(12.8)

Пользуясь этим соотношением можно из эксперимента извлечь величину _w. Распады ^ и  для этого не подходят, так как продукты распадов разные. Можно извлечь _w из сравнения времён жизни ^- и ^-. Эти частицы имеют близкие массы (1232 и 1197 МэВ/с²) и распадаются одинаково:

^- n+^- 10^-23с (сильный распад)

^- n+^- 1,510^-10с (слабый распад)

Используя (11.7), получаем

Откуда, так как _s1, имеем _w10^-6.

Кварковые диаграммы распадов ^- и ^- приведены на рис. 12.1.

d

d

s

u

d

a_w

a_w

Рис. 12.1. Кварковые диаграммы распадов ^- и ^-.

3. Промежуточные бозоны W⁺, W^- и Z.

Переносчиками слабого взаимодействия являются W⁺, W^- и Z – бозоны, которые часто называются промежуточными. Такое название имеет исторические корни. Дело в том, что эти частицы были представлены задолго до их обнаружения именно как промежуточные частицы со спином J=1, передающие слабое взаимодействие. Однако в отличие от электромагнитного взаимодействия, где носителями поля являются  - кванты с J=1^-, бозоны W⁺, W^-, переносящие слабое взаимодействие, являются заряженными частицами. Причём W⁺ -бозон является античастицей W^- -бозона. На рис. 12.2 показаны распады W⁺, W^- и Z-бозонов с испусканием соответствующих лептонов.

e^-(^-,^-)

e⁺(⁺,⁺)

Рис 12.2. Диаграмма распада промежуточных бозонов на лептоны.

Пример: Нарисовать простейшие диаграммы Фейнмана взаимодействия реакторного нейтрино с веществом.

Решение: Реакторное нейтрино – это электронное антинейтрино, получающееся в ходе ^- -распада нейтронноизбыточных ядер и обязано распаду d -кварка. Искомые диаграммы могут быть получены из диаграммы распада d –кварка (см. рис. 12.3 а). На рис 12.3 b показано взаимодействие антинейтрино с u –кварком и электроном. На рис 12.3 с показано взаимодействие антинейтрино с электроном, приводящее через W^- -бозон к рождению d –кварка и u –антикварка .

a) b) c)

Рис. 12.3. Диаграммы взаимодействия реакторного антинейтрино с веществом: а) распад d–кварка; b) взаимодействие антинейтрино с u –кварком; с) взаимодействие антинейтрино с электроном.

W^ и Z –бозоны как переносчики слабого взаимодействия были предсказаны С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и А. Саламом в электрослабой теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия. Предсказанные массы W^ и Z –бозонов были, соответственно, в районе 80 и 90 МэВ/с². В 1976г. для поиска этих частиц было предложено построить в ЦЕРНе (Женева, Швейцария) новый ускоритель, и в 1981г. такой ускоритель был создан под руководством С.Ван де Меера. Этот ускоритель (суперсинхротрон ) представлял собой протон-антипротонный коллайдер с энергиями сталкивающихся частиц по 270 ГэВ.

W^ и Z –бозоны должны были рождаться в -столкновениях:

и ,где Х –совокупность других частиц.

Протон и антипротон состоят из трёх кварков и трёх антикварков соответственно: p(uud); . Промежуточные бозоны рождаются в кварк-антикварковых взаимодействиях:

Таким образом, остальные два кварка и два антикварка в этом процессе не участвуют (являются наблюдателями) и продолжают своё движение в направлении движения первичных -пучков (продольное направление), формируя струи адронов и антиадронов.

Время жизни промежуточного бозона 310^-25с и зафиксировать его рождение можно лишь по факту его распада. В большинстве случаев промежуточный бозон распадается на пары кварк-антикварк, которые буквально тонут в море кварк-антикварковых пар, создаваемых кварками наблюдателями.

Более перспективной является регистрация распада W^ и Z –бозонов на лептоны, в результате которых последние вылетают в направлении, перпендикулярном или близком к нему, относительно линии столкновения протона и анти протона (поперечное направление).

Пример: Спрашивается, какие должны быть энергии пучков , чтобы обеспечить рождение частиц с энергией 100 ГэВ?

Решение: Если исходить из того, что кварков в налетающем адроне (протоне) три с приблизительно одинаковыми массами, то первоначальная энергия должна быть, по крайней мере, утроена. Далее, памятуя о том, что половина массы-энергии бариона (протона) приходится на глюоны, надо полученный результат увеличить в два раза. Таким образом, получаем Е_соуд600ГэВ.

Используемый на тот момент ускоритель протон-антипротонный коллайдер ( ) обеспечивал суммарную энергию в 630 ГэВ. Планировалось искать W и Z–бозоны по их распадам на лептоны, летящие в поперечном направлении, т.е. под углами, близкими к 90 относительно направления движения сталкивающихся -пучков. Этими лептонами обязательно должны быть либо электрон либо позитрон (распад W^- или W⁺) и соответствующие им антинейтрино нейтрино, либо электрон и позитрон (распад Z).

Перейдём к описанию эксперимента. Начнём с ускорителя (рис. 12.4). Ускоритель ( ) был создан в результате модернизации протонного суперсинхротрона SPS. Ускоритель был размещен на глубине 50 м под землёй в тоннеле диаметром 4 м. Радиус кольца этого ускорителя 1,1 км. По окружности ускорителя было расположено в периодической последовательности 108 идентичных структур, включающих в себя около 800 отклоняющих (дипольных) магнитов и более 200 фокусирующих (квадрупольных). Пучок фокусировался попеременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Величина отклоняющего магнитного поля в процессе ускорения увеличивалась от 0,045 до 1,8 Тл. В ускоритель SPS протоны поступали уже ускоренными до энергии 26 ГэВ протонным синхротроном PS. В свою очередь в PS они

Рис. 12.4. Блок схема ускорительного комплекса ( ). 1-источник ионов водорода; 2-линейный ускоритель протонов на 50 МэВ; 3-предварительный синхротрон (бустер) на 800 МэВ; 4-протон-антипротонный синхротрон на 26 ГэВ; 5-накопитель антипротонов с энергией 3,5 ГэВ; 6-основное кольцо протон-антипротонного синхротрона на 270 ГэВ.