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  W及Z玻色子           
W及Z玻色子
文章来源:不详 更新时间:2008-9-16 8:06:05     本站网址:3I3I.Cn
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在物理学中,W 及 Z 玻色子是负责传递弱核力的基本粒子。它们于 1983年在欧洲原子能研究中心(CERN)被发现的。是次发现被认为是粒子物理中的标准模型的一大胜利。


W 玻色子是因弱核力的“弱”(Weak)字而命名的。而 Z 玻色子则半幽默地因是“最后一个要发现的粒子”而名。另一个说法是因 Z 玻色子有零(Zero)电荷而得名。


W 玻色子有两种,分别有 +1(W+)和 −1(W−)单位电荷。W+ 是 W− 的反粒子。而 Z 玻色子(Z0)则为电中性的,且为自身的反粒子。这三种粒子皆十分短命,其半衰期约为  秒。


这些玻色子在各种基本粒子之中属重型的一类。W 的质量为 80.4 GeV,而 Z 则为 81.2 GeV。它们差不多是质子质量的一百倍 —— 比铁原子还要重。玻色子的质量是十分重要的,因其限制了弱核力的相用范围。相对地,电磁力的相用范围无限远因为光子无质量。


W 和 Z 玻色子的预测


于1950年代量子电动力学的空前成功后,科学家希望为弱核力建立相似的理论。于1968年,这个论调在统一电磁力和弱核力后达到高潮。提出弱电统一的 Sheldon Glashow、Steven Weinberg 和 Abdus Salam 因此得到 1979年的诺贝尔物理学奖(见[1])。他们的弱电理论不止假设了 W 玻色子的存在来解释β衰变,还预测有一种未被发现的 Z 玻色子。


W 和 Z 玻色子有质量,而光子却没有 —— 这是弱电理论发展的一大障碍。这些粒子现时以一个 SU(2) 测量仪理论(Gauge theory)来精确描述,但理论中玻色子必定无质量。譬如,光子无质量是因为电磁力能以一个 U(1) 测量仪理论解释。某些机制必须破坏 SU(2) 的对称来给予 W 和 Z 玻色子的质量。其中一个解释是由彼得.希格斯于1960年代晚期提出的希格斯机制。它预言了一种尚未发现的新粒子 —— 希格斯玻色子。


SU(2) 测量仪理论、电磁力和希格斯机制三者的组合称为 Glashow-Weinberg-Salam 模型。它是目前广泛接受为标准模型的一大支柱。至 2003年为止,标准模型唯一未被实验证实的预言只有希格斯玻色子。


W 和 Z 玻色子的发现


W 和 Z 粒子的发现是 CERN 引以自豪的。首先,于 1973年,弱电理论预言了中性流作用;那时 Gargamelle 的气泡室摄得一些电子突然自行移动的轨迹。这些被诠释为中微子通过交换隠形的 Z 玻色子与电子互相作用。因中微子是测不到的,故只有电子的动量改变可测。


以 W 和 Z 粒子要到一强劲的粒子加速器建立后才正式被发现。第一部这样的加速器是超级质子同步加速器(SPS),其中 Carlo Rubbia 和 Simon van der Meer 在1983年一月进行的一连串实验给出了明显的 W 粒子证据。这些实验称作“UA1”(由 Rubbia 主导)和“UA2”,且实为很多人努力的成果。Van der Meer 是负责加速器(随机冷却)的。UA1 和 UA2 在几个月后(1983 年五月)找到 Z 粒子。Rubbia 和 van der Meer 因而得到 1984年的诺贝尔物理学奖(见[2])。这算是保守的诺贝尔奖成立以来最异常的一步。

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