Слабое взаимодействие, одно из четырёх фундаментальных взаимодействий природы, описывается в рамках Стандартной модели как калибровочная теория с группой симметрии SU(2)_L × U(1)_Y. В отличие от электромагнитного взаимодействия, связанного с бесмассовым фотоном, слабое взаимодействие осуществляется массивными калибровочными бозонами — W⁺, W⁻ и Z⁰.
Эти бозоны возникают при спонтанном нарушении симметрии, реализуемом механизмом Хиггса. До нарушения симметрии имеется четыре калибровочных поля: три из SU(2)_L (обозначаемые как W¹, W², W³) и одно из U(1)_Y (B). После взаимодействия с вакуумным средним скалярного поля Хиггса, происходит их перераспределение, в результате которого формируются:
Таким образом, слабое взаимодействие имеет три переносчика — W⁺, W⁻ и Z⁰, которые являются массивными в отличие от фотона.
Массы бозонов W и Z экспериментально определены с высокой точностью:
Массы этих бозонов находятся в определённом соотношении, зависящем от электрослабого угла Вайнберга (θ_W):
$$ \frac{m_W}{m_Z} = \cos \theta_W $$
Параметр θ_W, или угол смешивания Вайнберга, описывает относительное содержание полей W³ и B в бозоне Z⁰ и фотоне:
$$ \begin{aligned} Z_\mu &= \cos \theta_W W^3_\mu - \sin \theta_W B_\mu \\ A_\mu &= \sin \theta_W W^3_\mu + \cos \theta_W B_\mu \end{aligned} $$
Экспериментально sin²θ_W ≈ 0.231.
Бозоны W⁺ и W⁻ обладают электрическими зарядами +1 и −1 соответственно, в то время как Z⁰ и фотон — нейтральны. Все они являются бозонами спина 1, то есть имеют векторный характер (спин-1).
Массивность W и Z бозонов приводит к тому, что у них имеется три степени свободы (три поляризации), в отличие от двух у фотона (только поперечные моды).
Из-за своей большой массы, W и Z бозоны не могут передавать взаимодействие на большие расстояния. Радиус действия слабого взаимодействия составляет порядка 10⁻¹⁷ м, что гораздо меньше, чем у электромагнитного (которое имеет бесконечный радиус действия из-за нулевой массы фотона). Это объясняет, почему слабое взаимодействие проявляется только в процессах с участием элементарных частиц на малых расстояниях и высоких энергиях.
Бозоны W участвуют в зарядосменных взаимодействиях: они изменяют тип фермиона, превращая, например, нейтрино в электрон, или кварк одного типа в кварк другого типа. Примеры:
β-распад: n → p + e⁻ + ν̄ₑ, осуществляется через виртуальный бозон W⁻.
Распад мюона: μ⁻ → e⁻ + ν̄ₑ + ν_μ, также через W⁻.
Z⁰ участвует в нейтральных токах, которые не изменяют заряд участвующих фермионов. Эти взаимодействия долгое время были труднодоступны для наблюдения, но были впервые зафиксированы в 1973 году в ЦЕРНе.
В большинстве процессов бозоны W и Z являются виртуальными: они не наблюдаются напрямую, а проявляют себя через эффекты в конечных состояниях. Однако на энергиях, сравнимых с их массами, возможна их реальная генерация, например, в электрон-позитронных столкновениях:
e+ + e− → Z0 → μ+ + μ−
Такие процессы активно изучались в экспериментах на коллайдерах LEP (CERN) и SLC (SLAC), где энергия столкновения достигала значений, достаточных для производства реальных W и Z бозонов.
Из-за своей массы и сильного взаимодействия с фермионами, W и Z бозоны являются нестабильными. Они распадаются на различные пары фермионов. Ширина распада Γ связана с временем жизни τ:
$$ \tau = \frac{\hbar}{\Gamma} $$
Экспериментальные значения:
Это означает, что W и Z живут крайне короткое время, распадаясь почти мгновенно после образования.
Бозон W может распадаться на лептоны (например, e⁻ν̄ₑ, μ⁻ν̄_μ) или на пары кварков (например, u + ḋ). Распад на кварки приводит к возникновению струй из адронов. Аналогично, Z⁰ может распадаться на любые фермион-антифермионные пары, кроме t{t}, если энергия недостаточна (m_Z < 2m_t).
Распределение вероятностей распада между различными каналами подчиняется предсказаниям Стандартной модели и служит важным тестом её правильности.
Бозоны W и Z были открыты в 1983 году в ЦЕРНе в экспериментах на протон-антипротонном коллайдере SPS, за что Карло Руббия и Симон ван дер Мер были удостоены Нобелевской премии. Это стало решающим подтверждением теории электрослабого взаимодействия.
Ключевые характеристики, подтверждённые экспериментально:
Бозоны W и Z играют центральную роль в структуре Стандартной модели:
Их наблюдение и детальное изучение стали важнейшими подтверждениями электрослабой теории, зафиксированной в Стандартной модели. Отклонения в поведении этих бозонов, если будут найдены, могут указывать на физику за пределами Стандартной модели: новые взаимодействия, фермионы, бозоны, или структуры пространства-времени.