Нейтральный ток. W- и Z-бозоны.

Сколько умных людей, сил и средств затрачивается на сокрытие простых законов природы...

           W- и Z-бозоны — фундаментальные частицы, переносчики слабого взаимодействия. Их открытие (ЦЕРН, 1983) считается одним из главнейших успехов Стандартной модели физики элементарных частиц. W-частица названа по первой букве названия взаимодействия — слабое (Weak) взаимодействие. Z-частица получила такое имя, поскольку Z-бозон имеет нулевой (Zero) электрический заряд.

Нейтральный ток — один из механизмов слабого взаимодействия, опосредованный обменом виртуальными Z-бозонами между кварками и лептонами, без изменения электрического заряда начальных и конечных частиц. Z-бозоны взаимодействуют со всеми частицами Стандартной модели, кроме глюонов и фотонов.

Существование нейтральных токов предсказали в 1973 году Абдус Салам, Шелдон Ли Глешоу и Стивен Вайнберг. Экспериментальное подтверждение теория получила в 1974 году в экспериментах на пузырьковой камере Гаргамель  (англ.) (рус. в ЦЕРНе.

Открытие слабых нейтральных токов было значимым шагом в унификации электромагнитных и слабых сил в электрослабые силы и привело к открытию W- и Z-бозонов.

Нейтральные токи W и Z. История...

https://cerncourier.com/a/neutral-currents-and-w-and-z-a-celebration/

Двадцать лет назад, в 1983 году, ЦЕРН объявил об открытии бозонов W и Z, что принесло лаборатории первую Нобелевскую премию в 1984 году. Десять лет назад физики, работающие в ЦЕРНе, нашли косвенные доказательства существования Z-частицы. в «нейтральных течениях». Вместе эти открытия предоставили убедительные доказательства теории электрослабого взаимодействия, объединяющей слабое взаимодействие с электромагнитным взаимодействием и ставшей краеугольным камнем современной Стандартной модели частиц и взаимодействий

Панельную дискуссию о будущем физики элементарных частиц вел Карло Руббиа, получивший Нобелевскую премию в 1984 году за свои неукротимые усилия, которые привели к открытию частиц W и Z в ЦЕРНе в 1983 году.

Эти прорывы приблизили современную физику к одной из ее главных целей: понять частицы и силы природы в единой теоретической структуре. Джеймс Клерк Максвелл сделал первые шаги на этом пути в 1860-х годах, когда понял, что электричество и магнетизм являются проявлениями одного и того же явления. Однако пройдет еще сто лет, прежде чем теоретики преуспеют в следующем этапе: объединении электромагнетизма Максвелла со слабым взаимодействием в новой электрослабой теории.

В 1979 году трое теоретиков, разработавших электрослабую теорию, Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг, были удостоены Нобелевской премии. В 1984 году Карло Руббиа и Саймон ван дер Меер из ЦЕРН разделили приз за участие в открытии частиц W и Z. Полученные результаты положили начало более чем десятилетнему периоду прецизионных измерений на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP), на котором проверялись предсказания Стандартной модели, которые можно было рассчитать благодаря работе теоретиков Джерарда 'т Хофта и Мартинуса Вельтмана, разделивших Нобелевская премия 1999 года.

Чтобы отпраздновать 30-летие и 20-летие соответственно открытия нейтральных токов и бозонов W и Z, ЦЕРН провел 16 сентября специальный симпозиум. На участие были приглашены авторы (около 250) статей, в которых сообщалось об открытиях, а также другие лица, сыгравшие ценную роль в разработке Стандартной модели, в том числе Глэшоу, Вайнберг и Вельтман. Вайнберг выступил со вступительной речью — мастерским выступлением на тему «Создание Стандартной модели». Он начал с 1950-х годов, которые он описал как время разочарования после триумфа квантовой электродинамики, прежде чем перейти к отчету о своем собственном вкладе в электрослабую теорию во второй половине 1960-х годов. Он также упомянул работы многих других физиков, некоторые из которых были в аудитории..

Важный шаг к подтверждению электрослабого объединения был сделан в 1973 году, когда покойный Андре Лагарриг и его коллеги, работавшие с пузырьковой камерой Гаргамеля в ЦЕРН, наблюдали нейтральные токи — нейтральное проявление слабого взаимодействия, которое было предсказано электрослабой теорией, но никогда ранее не наблюдалось. Позже в том же десятилетии Руббиа предложил превратить самый мощный ускоритель частиц в лаборатории в коллайдер частиц, и эта идея получила поддержку тогдашних генеральных директоров Джона Адамса и Леона Ван Хоува. При лобовом столкновении вращающихся в противоположных направлениях пучков протонов и антипротонов будет сконцентрировано достаточно энергии для образования частиц W и Z. Это стало возможным, в частности, благодаря изобретению Ван дер Меером «стохастического охлаждения» для получения достаточно плотных пучков антипротонов.

Во второй презентации на симпозиуме Джорджио Брианти описал различные вклады ЦЕРН в ускорители и пучки, начиная с изобретения ван дер Меером в 1961 году магнитного рупора для получения более интенсивного пучка нейтрино путем фокусировки заряженных частиц (в основном пионов), которые распадаются на дают нейтрино. Спустя десятилетие Пересекающиеся накопительные кольца стали первым в мире протон-протонным коллайдером, а также испытательным стендом, на котором было изобретено стохастическое охлаждение.

Затем Дитер Хайдт продолжил рассказ об экспериментах со своим докладом об открытии нейтральных токов. В начале 1970-х Хайдт, ныне работающий в DESY, был участником коллаборации Gargamelle. Он описал предысторию поиска нейтральных течений и трудности, с которыми пришлось столкнуться, чтобы убедить всех, что они действительно наблюдались в Гаргамеле. В конечном итоге это открытие привело к высокоточным экспериментам с нейтрино в ЦЕРНе и позволило предсказать массу W-бозона на основе электрослабой теории, что, в свою очередь, привело к протонно-антипротонному проекту.

К 1981 году поиски частиц W и Z были в самом разгаре. О наблюдении частиц W с помощью экспериментов UA1 и UA2 было объявлено в ЦЕРНе 20 и 21 января 1983 г. Первое наблюдение частиц Z с помощью UA1 последовало вскоре после этого, с объявлением 27 мая (CERN Courier, май 2003 г., стр. 26 ) . Пьер Дарриула, который был представителем UA2 в 1978-1985 годах, вспомнил предысторию решения продолжить программу преобразования суперпротонного синхротрона (SPS) в протон-антипротонный коллайдер и пролил свой личный свет на природу. конкуренции между двумя экспериментами, UA1 и UA2.

С открытием частиц W и Z электрослабая теория стала действительно обоснованной. Теперь задача заключалась в том, чтобы коллайдер другого типа — LEP — стал прецизионным испытательным стендом для теории. В заключительной утренней презентации Питер Зервас из DESY оглянулся на эпоху LEP, 1989-2000 гг., и ее многочисленные тесты Стандартной модели физики элементарных частиц – проверка не только электрослабой теории, но и квантовой хромодинамики, теории сильное взаимодействие.

Помимо размышлений о прошлых открытиях, докладчики на симпозиуме также заглянули в будущее ЦЕРНа, в частности, Большого адронного коллайдера (БАК), который должен быть запущен в 2007 году. Сталкивая частицы при чрезвычайно высоких энергиях, БАК должен пролить свет на такие вопросы, как: почему элементарные частицы имеют массу? Какова природа темной материи во Вселенной? Почему материя восторжествовала над антиматерией в первые мгновения существования Вселенной, сделав возможным наше существование? И в каком состоянии было вещество через несколько микросекунд после Большого Взрыва? Это темы, которые Джон Эллис из CERN затронул в первой презентации после обеда..

Затем последовала сессия, посвященная проблемам БАК. Лин Эванс, директор проекта LHC, рассказала о проблемах строительства и эксплуатации коллайдера; Джос Энгелен, в настоящее время директор НИКХЭФ и вскоре ставший главным научным сотрудником ЦЕРН, описал задачу создания детекторов для БАК; а Пол Мессина из Калифорнийского технологического института рассказал о проблемах, которые предстоит решить, когда БАК и эксперименты будут запущены, когда потребуется собрать и проанализировать огромное количество данных.

Открытие частиц W и Z во многом обязано развитию методов обнаружения, в частности Жоржу Шарпаку из ЦЕРН, который был удостоен Нобелевской премии в 1992 году. В своем выступлении Шарпак вспомнил свои первые дни в ЦЕРНе, когда он пригласили приехать в лабораторию на шесть месяцев только для того, чтобы остаться в конце концов на много лет, руководя многими разработками в области детекторов частиц. Он также говорил о возможностях распространения увлечения физикой среди молодого поколения.

В заключительной презентации генеральный директор ЦЕРН Лучано Майани поделился своим личным мнением о будущем организации и ее важности для физики элементарных частиц в целом. Затем последовала панельная дискуссия о будущем физики элементарных частиц под председательством Руббиа — бывшего генерального директора, а также лауреата Нобелевской премии. В состав группы входили Роберт Аймар, который станет генеральным директором ЦЕРН с 1 января 2004 г., Лев Окун из ИТЭФ, Дональд Перкинс из Оксфордского университета, ван дер Меер и Вельтман, а также докладчики симпозиума Чарпак, Дарриулат, Майани и Вайнберг. . Среди многих обсуждаемых моментов один из самых важных, как сказал Руббиа в своем резюме, заключается в том, что «мы не должны недооценивать неожиданную способность БАК».