Bozony

Teoria oddziaływań słabych opracowana przez Fermiego okazała się niekompletna. W latach 60-tych uległa ona przemianie w tzw. teorię oddziaływań elektrosłabych. W teorii tej oddziaływania słabe (w tym rozpad beta) następowały za pośrednictwem naładowanych cząstek W i neutralnych Z - tzw. bozonów pośredniczących. Neutrino jako obiekt, który czuły jest jedynie na tego rodzaju oddziaływanie, informuje otaczającą materię o swojej obecności wymieniając z nią właśnie owe bozony. Niestety w latach 60-tych nie zaobserwowano jeszcze reakcji, w których oddziaływania przenoszone były za pomocą neutralnych bozonów. Pierwsza ich obserwacja nastąpiła na początku lat 70-tych w ośrodku CERN i była potwierdzeniem teorii opisującej oddziaływania słabe. Same bozony zaobserwowano 10 lat później również w owym ośrodku.


Stworzona przez Enrico Fermiego teoria oddziaływań, w których biorą udział neutrina, miała jeden słaby punkt, który pomimo jej licznych sukcesów dowodził jej niekompletności. Teoria ta opisywała prawdopodobieństwo oddziaływania neutrina z materią. Prawdopodobieństwo to, zgodnie z nią, zależy od energii owego neutrina. Im wyższa energia, tym szansa na oddziaływanie większa. Problem teorii polegał na tym, że przy bardzo wysokich energiach neutrin prawdopodobieństwo oddziaływania z materią stawało się większe od stu procent! No ale przecież prawdopodobieństwo nie może być nigdy większe od stu procent. Samo stwierdzenie, że wynosi ono sto procent znaczy tyle, że oddziaływanie zachodzi zawsze. Nic nie może zachodzić częściej niż zawsze. Nonsens!

Rozpad beta według teorii Fermiego

Fizycy dostrzegali ów problem i byli świadomi, iż teoria Fermiego wymaga radykalnej modyfikacji. Z drugiej strony teoria ta opisywała w doskonały sposób reakcje z udziałem neutrin zachodzące przy niskich energiach. Nowa teoria musiała być z jednej strony zgodna z teorią Fermiego stosowaną w owym niskoenergetycznym obszarze. Z drugiej zaś strony musiała modyfikować teorię Fermiego dla wysokich energii. Okazało się, że teoria, która sprostała obu tym wymaganiom, wprowadziła do fizyki nowe cząstki, zwane bozonami pośredniczącymi. Nie będziemy w tym miejscu omawiać w szczegółach drogi rozumowania i drogi doświadczalnej, które doprowadziły do ukonstytuowania się owej nowej teorii. Przedstawimy natomiast w skrócie jej założenia.

Neutrina biorą udział tylko i wyłącznie w oddziaływaniach słabych. Teoria, która zastąpiła teorię Fermiego, podaje opis tych oddziaływań posługując się pojęciem nośnika oddziaływania. Nośnikiem tym jest pewna cząstka, która rodzi się na początku owego oddziaływania i kończy swój żywot na jego końcu. Dla ustalenia uwagi rozpatrzmy, jak w nowej teorii wygląda rozpad beta neutronu. Do tej pory mówiliśmy, że rozpad ten to rozpad neutronu na proton, elektron i anty-neutrino elektronowe. Przy czym rozpad ten następował w jednym miejscu w przestrzeni. Nowa teoria opisuje rozpad beta w dwu krokach. Na początku neutron zamienia się w proton i w tzw. bozon pośredniczący W-. W drugim kroku bozon W- rozpada się na elektron oraz elektronowe anty-neutrino. Aby w obu rozpadach zachowany był ładunek, bozon W- musi przenosić ładunek ujemny (stąd indeks '-').

Rozpad beta z bozonem pośredniczącym W

Aby pojawienie się owego bozonu w oddziaływaniu nie zmieniało teorii Fermiego przy niskich energiach, jego masa musi być bardzo duża. Jest ona równa około 100 masom samego neutronu. W tym momencie część czytelników strony uzna jej treść za herezje. Jak neutron (o masie protonu) może rozpaść się na proton i bozon W- (którego masa jest tyle razy większa od masy samego protonu). Przecież w rozpadzie takim początkowa masa będzie znacząco mniejsza od końcowej i, zgodnie z zasadą Einsteina równoważności energii i masy, energia końcowa będzie znacznie większa od początkowej. Czyżby proces ten łamał zasadę zachowania energii??? Nie! W mechanice kwantowej, która opisuje oddziaływania cząstek elementarnych, istnieje zasada nieoznaczoności Heisenberga. Pozwala ona na pojawianie się tzw. cząstek wirtualnych, które łamią zasadę zachowania energii, ale na bardzo krótki czas, tak krótki, że fakt złamania owej zasady nie może być zaobserwowany przez zewnętrznego obserwatora. Im cząstka bardziej "łamie" zasadę zachowania, tym czas jej życia musi być krótszy.

Rozpad z wymianą W - diagram Feynmanna

Okazuje się, że czas życia bozonów W- jest, z powodu ich olbrzymiej masy, bardzo bardzo krótki, a powstanie bozonu w pierwszym etapie reakcji i następnie jego rozpad zachodzą prawie w tym samym punkcie w przestrzeni. Nic więc dziwnego, że przy niskich energiach, przy których badane były rozpady beta, proces dało się opisać w jednym kroku, bez odwoływania się do bozonu pośredniczącego. Przy wyższych energiach prędkości powstających bozonów W- są większe i oddziaływania przestają być takie, jakie byłyby gdyby zachodziły w jednym punkcie.

Rozpad z wymianą W

Oprócz cząstki W- istnieje również jej naładowany przeciwnie partner: W+. Cząstka ta pojawia się w przemianie protonu w neutron (która może zachodzić wewnątrz jądra atomowego). W przemianie tej proton zamienia się w neutron emitując bozon W+. Bozon ten rozpada się po chwili na anty-elektron oraz neutrino elektronowe.

Emisja cząstki W dodatniej

Teoria przemian z udziałem bozonów pośredniczących opisuje wszystkie reakcje z udziałem neutrin. I tak np. pion o ładunku ujemnym rozpada się najpierw na bozon W-, który to następnie bozon rozpada się na mion oraz anty-neutrino mionowe. Rozpad mionu polega zaś na przemienieniu się mionu w parę neutrino mionowe oraz bozon W-. Bozon W- rozpada się po chwili na parę elektron i anty-neutrino elektronowe.

Rozpad mionu

Neutrino może oddziaływać z materią również przez wymianę bozonów W. Lecące przez materię neutrino elektronowe może wyemitować bozon W+ zamieniając się w elektron. Bozon ten jest następnie absorbowany przez neutron w materii zamieniając go w proton.

Rozpad pionu

Niedługo po wprowadzeniu bozonów pośredniczących W fizycy zdali sobie sprawę, że aby w sposób spójny opisać oddziaływania słabe i elektromagnetyczne potrzebny jest jeszcze jeden bozon pośredniczący. Cząstka ta nie powinna przenosić ładunku, a jej masa powinna być zbliżona do masy W. Została ona nazwana bozonem Z0. Również on może brać udział w oddziaływaniach neutrin z materią. Oddziaływania za pośrednictwem bozonu Z0 przebiegają np. w następujący sposób. Neutrino przechodzące przez materię emituje Z0 zmieniając kierunek swojego ruchu. Bozon ten absorbowany jest następnie np. przez elektron znajdujący się w materii. Po absorpcji elektron, pierwotnie będący w spoczynku, zaczyna się poruszać. Inną możliwością jest absorpcja bozonu Z0 przez składnik jądra atomowego. W tym wypadku może nastąpić wzbudzenie jądra i emisja z niego pionów.

Oddziaływanie za pomocą prądów neutralnych

Eksperymentalne potwierdzenie istnienia oddziaływania neutrin za pośrednictwem wymienianych bozonów Z0 (tzw. prądów neutralnych) nastąpiło w 1973 roku w eksperymencie używającym detektora Gargamelle w ośrodku CERN.

Detektor Gargamelle

Na detektor ten padała wiązka neutrin produkowana przy pomocy akceleratora. W detektorze oczywiście nie można było zaobserwować śladów samych neutrin. Jednak co jakiś czas neutrino oddziaływało z ośrodkiem detektora za pośrednictwem bozonów Z0. Bozony te były absorbowane albo przez elektrony, które w wyniku absorpcji zaczynały się poruszać, albo przez jądra atomowe powodując produkcję pionów. Fizycy poszukiwali więc albo elektronów, które bez żadnego widocznego powodu zaczynały się w detektorze poruszać, albo jąder, które nagle zaczynały emitować z siebie piony. Zdarzenia takie rzeczywiście zaobserwowano, co było dowodem na oddziaływania z wymianą bozonu Z0.

Odkrycie prądów neutralnych w CERN