Respuesta corta :
Los bosones W y Z obtienen masa a través del mecanismo de Higgs , al igual que cualquier otra partícula modelo estándar.
El campo de Higgs que impregna el espacio cuando interactúa con el campo de electroválvula “da” masa a los bosones de calibre a través de la rotura espontánea de simetría (SSB).
- ¿Falta algo en la teoría cuántica de campos que impulse la búsqueda de la gravedad cuántica?
- ¿Por qué las partículas elementales se consideran "partículas puntuales" cuando se puede considerar que están hechas de sí mismas y, por lo tanto, tienen "tamaño"?
- ¿Cuáles son algunas formas en que podríamos probar la teoría de cuerdas pero aún no tenemos la capacidad de hacerlo?
- ¿Cuál es el significado físico de las tablas de registro? ¿Cómo y por qué se derivó la fórmula de registro?
- ¿Qué tan inteligente debes ser para ser un físico experimental / teórico?
Los bosones ‘virtuales’ W y Z son solo las líneas internas del diagrama de Feynman y no son observables reales. Entonces, cada vez que se observa una partícula en el detector, son partículas ‘reales’. No observas la mediación del bosón W, digamos [math] \ beta [/ math] decaimiento. El diagrama de Feynman para este proceso muestra correctamente el bosón W como una línea interna que significa que es una partícula virtual. La vida extremadamente corta de estos mediadores significa que están dentro del límite de incertidumbre del tiempo de energía y que estas pequeñas perturbaciones están permitidas en la teoría cuántica.
Imagen: Solo traté de mostrar que el bosón W es un mediador en esta débil descomposición del neutrón y la línea interna (- – -) implica que es un bosón W virtual.
La masa prevista de los bosones de calibre W y Z de la teoría SM son del rango de 90 GeV. Es por eso que se necesitaban aceleradores capaces de producir más de esta energía para detectar los bosones ‘reales’ W y Z y esto se logró por primera vez en 1983 y el premio Nobel fue otorgado al Dr. Rubia y al Dr. Simon Meer en 1984.
Respuesta larga :
Conceptos necesarios:
El modelo estándar (SM) de la física de partículas se basa en el grupo de indicadores [matemática] SU (3) _c \, \ times SU (2) _L \, \ times U (1) _Y [/ math] donde en lenguaje simple el primer término está asociado con la fuerte interacción de los quarks (con [matemáticas] c [/ matemáticas] que denota el color), el segundo término está asociado con la interacción débil de los fermiones zurdos (isospin débil o simplemente isospin está asociado a este término), y el último término se asocia nuevamente con todas las partículas que interactúan débilmente ([matemática] Y [/ matemática] denota la hipercarga y es una combinación lineal de isospin y carga eléctrica [matemática] Q = I + Y / 2 [/ matemática]).
Imagen: Hice una pequeña representación de los fermiones SM donde r, g, b son los colores quark y L denota la zurda de ellos. Simplemente ponga ‘Trillizos Quark y dobletes Lepton’.
Ahora el grupo débil de isospin e hipercarga [matemática] SU (2) _L \, \ veces U (1) _Y [/ matemática] juntos conocido como grupo electrodébil, cuando interactúa con el campo escalar Higgs, se rompe la simetría del grupo electrolítico al grupo [math] U (1) _ {EM} [/ math] (grupo de indicadores para electromagnetismo (QED)). Esto sucede a escala de electroválvulas (alrededor de 100 GeV) en el universo temprano, cuando hacía mucho calor [matemáticas] \ sim \, 10 ^ {15} K [/ matemáticas].
[math] SU (N) [/ math] denota el grupo unitario especial de orden [math] N [/ math], y la operación se conoce como transformación unitaria especial en [math] N [/ math] objetos donde [math] N ^ 2-1 [/ math] denota la dimensión (aquí, son portadores de fuerza) del grupo [math] (SU (1) [/ math] es un grupo trivial con un solo elemento [math]) [/ math ] Entonces [math] SU (3) _c [/ math] denota tripletes de quark y tiene 8 portadores de fuerza y estos son 8 gluones. [matemática] SU (2) _L [/ matemática] denota los dobletes leptónicos y tiene 3 portadores de fuerza: [matemática] W ^ {1}, \, W ^ 2, \, W ^ 3 [/ matemática]. El grupo [math] U (1) _Y [/ math] tiene un portador de fuerza denotado por [math] B_0 [/ math]. Z, W y fotón son una combinación lineal de estos portadores de fuerza [matemática] W ^ {1}, \, W ^ 2, \, W ^ {3}, \, B_0. [/matemáticas]
Los portadores de fuerza masivos como los bosones W y Z tienen vidas extremadamente cortas [matemáticas] (\ aprox 10 ^ {- 25} [/ matemáticas] s [matemáticas]). [/ Matemáticas]
Fuente de la imagen: Modelo estándar: Heidelberg
Detección de bosones W y Z (Real):
Alrededor de 1980–81, la energía disponible en el CERN para colisión frontal era de solo 61 GeV, mucho menos que la masa del bosón W o Z. El Dr. Rubia y Meer actualizaron el Sincrotrón Super Proton (SPS) a un colisionador Super Proton-Anti-Proton. La recolección de datos comenzó a partir de diciembre de 1981. Entre los diferentes modos de descomposición del bosón W y Z, se eligen los modos de descomposición leptónica para el estudio, ya que la dispersión de quark-gluón da lugar a un gran fondo conocido como fondo QCD. En el caso de los bosones W, la descomposición acompañará a una gran energía faltante debido a los neutrinos [matemáticas] (W \ rightarrow l \ nu) [/ matemáticas] y para los bosones Z acompañará con la producción de cargas opuestas [matemáticas] (Z \ flecha derecha l ^ + l ^ -) [/ math]. Para el bosón W, el espectro de energía de los leptones alcanza un pico a la mitad de la masa de los bosones W y para los bosones Z la masa invariante del sistema de leptones alcanza su punto máximo en la masa del bosón Z. La observación y la detección condujeron al Premio Nobel de Física de 1984.
Un poco de matemática:
El mecanismo de Higgs nos dice cómo es posible “dar” masa a los bosones W y Z mientras se mantienen los fotones sin masa. Los campos de bosones electrodébiles [matemática] W ^ {1}, \, W ^ {2}, \, W ^ 3, \, \, B_0 [/ math] crean las partículas físicamente observables y se escribe como
[matemáticas] W ^ {\ pm} = \ frac {1} {\ sqrt {2}} \ left (W ^ 1 \, \ mp \, iW ^ 2 \ right) [/ math]
[matemáticas] Z = -sin \ theta _w B_0 + cos \ theta _w W ^ 3 [/ matemáticas]
donde [math] \ theta _w = \ frac {g ‘} {g} [/ math] y [math] g’, g [/ math] son las constantes de acoplamiento para las interacciones de indicadores asociadas con [math] SU (2) _L, \, U (1) _Y [/ math] group respectivamente.
El calibre invariante Lagrangian que es responsable de la masa de los bosones de calibre es
[matemática] L_H = \ left (D _ {\ mu} \ phi \ right) ^ {\ dagger} \ left (D _ {\ mu} \ phi \ right) – V_H (\ phi) [/ math], donde la covariante derivada viene dada por
[matemáticas] D _ {\ mu} = \ parcial _ {\ mu} + \ frac {ig \ sigma} {2} W _ {\ mu} – \ frac {ig ‘} {2} B _ {\ mu}, [/ math] y [math] \ sigma [/ math] son matrices de giro pauli. El potencial de Higgs se define como
[matemáticas] V_H (\ phi) = -m ^ 2 | \ phi | ^ 2 \, + \, \ lambda | \ phi | ^ 4. [/ matemáticas]
La elección del término de masa en el potencial de Higgs es importante para que ocurra SSB y esta respuesta lo explica perfectamente
¿Qué es el mecanismo de Higgs? ¿Cómo da masa a las partículas?
Al simplificar el Lagrangiano (que es un proceso bastante engorroso, como recuerdo del curso de física de partículas), la masa de los bosones W y Z se puede escribir como
[matemáticas] M_W = \ frac {gv} {2}; M_Z = \ frac {\ sqrt {g ^ 2 + g ‘^ 2} \, v} {2}. [/ Math]
[math] v [/ math] se conoce como el valor de expectativa de vacío del campo de Higgs y está estrechamente relacionado con el mínimo verdadero del Potencial de Higgs. Estas masas se predicen a partir de la teoría que se midió más adelante.
Espero que esta respuesta aclare un poco la duda, sin embargo, me temo que hay demasiados conceptos intrincados involucrados aquí (que aprendí sobre física de partículas y cursos de teoría de campo cuántico durante mis Maestros durante dos semestres) que están más allá del alcance de esta respuesta .
Si está más interesado y tiene un conocimiento fundamental de la Mecánica Cuántica, le recomiendo consultar los libros de física de partículas de Halzen y Martin (Quarks y Leptons …) y Griffiths (Introducción a las partículas elementales) para aclarar más dudas.
