W ve Z bozonları

W ve Z bozonları, zayıf etkileşime aracılık eden temel parçacıklardır. Bu bozonların keşfi parçacık fiziğinin Standart Modeli için büyük bir başarının müjdecisi oldu.

W^± ve Z⁰ bozonları

Bileşim	Temel parçacık
Aile	Bozon
Etkileşim(ler)	Zayıf etkileşim
Teorileştirme	Glashow, Weinberg, Salam (1968)
Keşif	UA1 ve UA2 deneyleri (1983)
Kütle	W: 80.398±0.25 GeV/c2 Z: 91.1876±0.0021 GeV/c2
Elektrik yükü	W: ±1 e Z: 0
Spin	1

W parçacığının adı, zayıf nükleer kuvvetten (İngilizce: weak nuclear force) gelir. Z parçacığı ise, yarı mizahi olarak, keşfedilmesi gereken son parçacık olarak düşünüldüğü için bu ismi alır. Konu ile ilgili bir başka açıklama ise, yükünün sıfır (zero) olmasından dolayı Z parçacığının bu şekilde isimlendirildiğini söyler.

Temel özellikler

W bozonunun iki türü +1 ve -1 elektrik yüklerine sahiptir. W ⁺ bozonu W ^- bozonunun antiparçacığıdır. Z bozonu (veya Z ⁰) elektriksel olarak yüksüzdür ve kendisinin antiparçacığıdır. Her üç parçacık da yaklaşık 3×10⁻²⁵ s'lik yarı ömürleri ile çok kısa bir süre varlıklarını sürdürür. Bu yüzden bu parçacıklar OPAL dedektörü ile doğrudan gözlemlenemez, ancak bozunum ürünleri ölçülebilir.

Bu bozonlar 80,447 ± 0.042 GeV/c² ve 91.1876 ± 0.0021 GeV/c² kütleleri ile temel parçacıklar arasında ağır sıklet olarak nitelendirilirler. W ve Z ^o parçacıkları bir protona göre 100 kat daha ağırdır ve ayrıca bütün bir demir atomundan da daha ağırdır. Bu bozonların kütleleri önemlidir; çünkü bunlar zayıf nükleer kuvvetin erimini sınırlar. Elektromanyetik kuvvet sınırsız erime sahiptir; çünkü bu kuvvetin bozonu (foton) kütlesizdir.

W bozonun kütlesi LEP ve Tevatron deneyleri ile tespit edildi. Tevatron'da W bozonu başlıca kuark antikuark yokoluşu ile üretilir.

Her üç türün de spini 1'dir.

W ⁺ veya W ^- bozonlarının emisyonu, salımı (salınımı) yapan parçacığın elektrik yükünü 1 birim artırır veya azaltır, ayrıca spini de 1 birim değiştirir. Aynı şekilde bir W bozonu parçacığın neslini de değiştirir; örneğin garip kuarkı, yukarı kuarka dönüştürür. Z ⁰ parçacığın elektrik yükünü veya başka herhangi bir yükünü (acayiplik gibi) değiştirmez, sadece spin ve momentumda etkilidir. Bu yüzden o salınımı yapan parçacığın neslini veya çeşnisini asla değiştirmez.

Zayıf nükleer kuvvet

Beta bozunumunun Feynman diagramı

Fotonun elektromanyetik kuvvetin taşıyıcı parçacığı olması gibi W ve Z bozonları da zayıf nükleer kuvvete aracılık eden taşıyıcı parçacıklardır. W bozonu radyoaktif bozunumdaki rolü ile bilinir. Örneğin süpernova patlamaları için önemli bir işlem Kobalt-60 için beta bozunumu şöyledir:

${}_{27}^{60}{\hbox{Co}}\to {}_{28}^{60}{\hbox{Ni}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}$

Bu reaksiyon bütün Kobalt-60 çekirdeğini kapsamaz, reaksiyon onun 33 nötronundan sadece birini etkiler. Nötron, elektron ve nötrino yayımlayarak bir protona (beta parçacığı) dönüşür.

${\hbox{n}}\to {\hbox{p}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}$

Nötron temel parçacık değildir; bir yukarı kuark ve iki aşağı kuarkın birleşiminden oluşur (udd). Gerçekte protonun uud formuna geçiş için aşağı kuarklardan biri beta bozunumunda etkileşime girerek yukarı kuarka dönüşür. En temel seviyede zayıf kuvvet tek kuarkın çesnisini değiştirir.

${\hbox{d}}\to {\hbox{u}}+{\hbox{W}}^{-}\,$

Bunu W^-'nin bozunumu takip eder.

${\hbox{W}}^{-}\to {\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}$

Kendisinin antiparçacığı olan Z bozonunun toplam kuantum sayısı sıfırdır. Parçacıklar arasındaki Z bozonu takasına nötral akım etkileşmesi adı verilir. Bu etkileşme parçacıklarda momentum transferi dışında etki bırakmaz. Beta bozunumundan farklı olarak nötral akım etkileşimlerinin gözlenmesi parçacık hızlandırıcılarında ve algılayıcılarında büyük çaplı araştırmalar gerektirir. Bu tür araştırmaların dünyada sadece birkaç yüksek enerji fiziği laboratuvarında yapılabilmesi mümkün olabilmektedir.

Öngörü

Bir çift W bozonunun takasını gösteren bir Feynman diagramı

1950'lerde kuantum elektrodinamiğinin olağanüstü başarısını takip eden süreçte, denemeler zayıf nükleer kuvvete benzer bir teorinin formüle edilmesi gerektiğini gösterdi. Bu durum, 1968 civarında Sheldon Glashow, Steven Weinberg ve Abdus Salam'ın elektromanyetizma ve zayıf etkileşimin birleşik teorisini ortaya attıklarında doruğa ulaştı. Glashow, Weinberg ve Salam bu çalışmaları ile 1979'da Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldüler. Onların elektrozayıf teorisi, beta bozunumunu açıklamak için W bozonuna ek olarak ayrıca henüz gözlemlenmemiş olan Z bozonunun da varolması gerektiğini öngörüyordu.

Fotonlar kütlesiz iken W ve Z bozonlarının kütle sahibi olması elektrozayıf teorinin gelişimi yönündeki büyük engellerden biriydi. Bu parçacıklar SU(2) ayar teorisi tarafından doğru bir şekilde tanımlandı, ancak gauge teorisindeki bozonlar kütlesiz olmalıydı. Bu noktada fotonlar kütlesizdir; çünkü, elektromanyetizma U(1) gauge teorisi tarafından tanımlanır. W ve Z bozonlarına kütle kazandırılabilmesi için, SU(2) simetrisinin kırılmasını sağlayacak bir mekanizma gereklidir. Açıklamalardan biri 1960'ların sonunda Peter Higgs tarafından öne sürülen, Standart Model'in öngördüğü temel parçacıklara kütle kazandırmak amacıyla tasarımlanmış olan Higgs mekanizmasıdır. Bu açıklama ayrıca yeni bir parçacık Higgs bozonunun da varlığını öngörüyor.

Zayıf etkileşimin SU(2) gauge teorisi, elektromanyetik etkileşim ve Higgs mekanizmasının kombinasyonu Glashow-Weinberg-Salam modeli olarak bilinir. Model bu günlerde geniş ölçüde parçacık fiziğinin Standart Modelinin destekçisi olarak kabul görüyor. 2008 itibarı ile Fermilab ve CERN'deki yoğun araştırmalara rağmen deneysel olarak henüz doğrulanamamış olan Higgs bozonu Standart modelin temel öngörüsü olarak varlığını sürdürmektedir.

Keşif

Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi'nde sergilenen Gargamelle kabarcık odası

W ve Z parçacıklarının keşfi CERN'ün büyük başarı hikâyesidir. İlk olarak 1973'te elektrozayıf teorinin tahmin ettiği gibi nötral akım etkileşimleri gözlemlendi. Gargamelle adlı dev kabarcık odası, aniden hareket etmeye başlayan birkaç elektronun izini fotoğrafladı. Bu durum görünmeyen Z bozonunun değiş tokuşu ile meydana gelen elektron nötrino etkileşimi olarak yorumlandı. Nötrino başka türlü dedekte edilemez. Bu yüzden tek gözlenebilir etki etkileşim esnasında elektrona verilen momentumdur.

Bu parçacıkların keşfi onları üretebilecek kadar güçlü bir parçacık hızlandırıcının inşa edilmesini beklemek zorundaydı. Bu şekilde uygun olan ilk makine, Ocak 1983'te Carlo Rubbia ve Simon van der Meer tarafından idare edilen bir dizi deney esnasında kesin W sinyallerinin gözlendiği Süper Proton Senkrotronuydu (SPS). (Asıl deneyler birçok insanın işbirliği ile yapılan Rubbia liderliğindeki UA1 ve Darriulat liderliğindeki UA2 idi.) 20 ve 21 Ocak'ta CERN W bozonunun gözlendiğini anons etti. UA1 birkaç ay sonra Mayıs 1983'te Z'yi buldu ve 27 Mayıs'ta parçacığın keşfi anons edildi. 1984'te Rubbia ve van der Meer'e, muhafazakâr Nobel Vakfı için sıra dışı sayılabilecek bir adımla, vakit kaybedilmeden Nobel Fizik Ödülü verildi. Bu aynı zamanda CERN'ün kazandığı ilk Nobel ödülüdür. Amerikalı parçacık fizikçileri W bozonunun CERN'deki keşfine kadar herhangi bir gerçek rekabet hissetmemişlerdi. Yeni rekabet ortamı Avrupa ile ilişkiler sonsuza kadar değiştirdi.