WボソンとZボソン

素粒子物理学では、WボソンとZボソンはベクトルボソンであり、まとめて弱いボソン、またはより一般的には中間ベクトルボソンとして知られています。これらの素粒子は 弱い相互作用を媒介します。それぞれの記号は
わ⁺
、
わ⁻
、 そして
ず⁰
。
わ^±
ボソンは 正または負の電荷を持ち、それぞれが反粒子である。
ず⁰
 ボソンは電気的に中性で、反粒子である。3つの粒子はそれぞれスピン1を持つ。
わ^±
 ボソンは磁気モーメントを持っていますが、
ず⁰
これら3つの粒子はいずれも半減期が約1.5日と非常に短寿命である。3 × 10 ⁻²⁵  s。彼らの実験的発見は、現在素粒子物理学の標準モデルと呼ばれているものを確立する上で極めて重要でした。

の
わ
 ボソンは弱い力にちなんで名付けられています。物理学者の スティーブン・ワインバーグは、この追加の粒子を「
ず
 粒子」^[4]と名付け、後にそれがモデルに必要な最後の追加粒子であると説明した。
わ
 ボソンはすでに名前が付けられており、
ず
ボソンは電荷がゼロで あることから名付けられました。 ^[5]

二人の
わ
ボソンはニュートリノの吸収と放出 の媒介物であることが確認されている。これらのプロセスの間、
わ^±
 ボソン電荷は電子または陽電子の放出または吸収を引き起こし、それによって核変換を引き起こします。

の
ず
ボソンは、ニュートリノが物質から弾性 散乱するときに運動量、スピン、エネルギーの伝達を媒介します（電荷を保存するプロセス）。このような動作は、非弾性ニュートリノ相互作用とほぼ同じくらい一般的であり、ニュートリノビームを照射した泡箱で観察されることがあります。
ず
 ボソンは電子や陽電子の吸収や放出には関与しません。電子が突然運動エネルギーを持って動く新しい自由粒子として観測されるときはいつでも、ニュートリノが電子と相互作用した結果であると推測されます (Z ボソンを介した運動量の移動を伴う)。これは、ニュートリノビームが存在するときにこの動作がより頻繁に発生するためです。このプロセスでは、ニュートリノは単に電子に衝突し (ボソンの交換を介して)、その後電子から散乱し、ニュートリノの運動量の一部を電子に伝達します。^[a]

これらのボソンは、素粒子の中でも重量級の粒子です。80.4 GeV/ c ²および91.2 GeV/ c ²、それぞれ
わ
そして
ず
ボソンの質量は陽子 の約80倍で、鉄 原子全体よりも重い。

それらの高い質量は、弱い相互作用の範囲を制限します。対照的に、光子は電磁力の力のキャリアであり、電磁気の無限の範囲と一致して質量がゼロです。仮想の重力子も質量がゼロであると予想されます。（グルーオンも質量がゼロであると想定されていますが、強い核力の範囲は別の理由で制限されています。色の閉じ込めを参照してください。）

3つのボソンはすべて粒子スピン s  = 1を持っています。
わ⁺
または
わ⁻
 ボソンは放出粒子の電荷を1単位下げたり上げたりし、スピンも1単位変化させる。同時に、
わ^±
 ボソンは粒子の種類を変えることができます。例えば、ストレンジクォークをアップクォークに変えることができます。中性Zボソンは、どの粒子の電荷も変えることはできませんし、いわゆる「電荷」（ストレンジネス、バリオン数、チャームなど）も変えることはできません。
ず⁰
 ボソンは他の粒子のスピン、運動量、エネルギーのみを変化させることができます。（弱い中性電流も参照してください。）

の
わ
そして
ず
 ボソンは、光子が電磁力の搬送粒子であるのと同じように、弱い核力を媒介する搬送粒子です。

の
わ^±
ボソンは原子核崩壊 における役割で最もよく知られています。例えば、コバルト 60のベータ崩壊を考えてみましょう。

⁶⁰
₂₇共同
→⁶⁰
₂₈ニ
⁺ +
e⁻
+
ν
_e

この反応はコバルト60の原子核全体に影響を及ぼすのではなく、33個の中性子のうち1個にのみ影響を及ぼします。中性子は陽子に変換されると同時に、電子（この文脈ではベータ粒子と呼ばれることが多い）と電子反ニュートリノも放出されます。

ん⁰
→
p⁺
+
e⁻
+
ν
_e

繰り返しますが、中性子は素粒子ではなく、アップクォークと2つのダウンクォークの複合体です（
あなた

d

d
）。これはベータ崩壊で相互作用するダウンクォークの1つであり、アップクォークに変化して陽子を形成します（
あなた

あなた

d
）。最も基本的なレベルでは、弱い力は単一のクォークの フレーバーを変化させます。

d
→
あなた
+
わ⁻

その後すぐに
わ⁻
自体：

わ⁻
→
e⁻
+
ν
_e

の
ず⁰
 ボソンはそれ自身の反粒子である。したがって、そのフレーバー量子数と電荷はすべてゼロである。
ず
 粒子間のボソン相互作用は中性カレント相互作用と呼ばれ、スピンや運動量の移動を除いて、相互作用する粒子は影響を受けません。^[b]

ず
ニュートリノ が関与するボソン相互作用には、明確な特徴がある。物質中のニュートリノの弾性散乱の唯一の既知のメカニズムである。ニュートリノは、弾性散乱（
ず
 ボソン交換による）を非弾性的に（Wボソン交換による）伝達する。^[c]弱い中性カレントによる
ず
 ボソン交換はその後まもなく（1973年）、欧州原子核研究機構（CERN）のガルガメル 泡箱でのニュートリノ実験で確認された。^[8]

1950年代の量子電磁力学の成功に続いて、弱い核力の同様の理論を定式化する試みがなされた。これは1968年頃にシェルドン・グラショー、スティーブン・ワインバーグ、アブドゥス・サラムによる電磁気学と弱い相互作用の統一理論に結実し、3人は1979年のノーベル物理学賞を共同受賞した。^{[7] [c]}彼らの電弱理論は、
わ
 ベータ崩壊を説明するために必要なボソンだけでなく、新たな
ず
 これまで観測されたことのないボソン。

事実、
わ
そして
ず
 ボソンは質量を持ち、光子は質量がないという問題は、電弱理論を開発する上での大きな障害であった。これらの粒子はSU(2) ゲージ理論によって正確に記述されるが、ゲージ理論におけるボソンは質量がない必要がある。一例として、電磁気学はU(1)ゲージ理論によって記述されるため、光子は質量がない。SU (2)対称性を破り、ボソンに質量を与えるには、何らかのメカニズムが必要である。
わ
そして
ず
ヒッグス機構は、 1964年のPRL対称性の破れの論文で初めて提唱され、この役割を果たしています。ヒッグス機構には、ヒッグス粒子という別の粒子の存在が必要ですが、これはその後大型ハドロン衝突型加速器で発見されました。ヒッグス場によって生成されたゴールドストーン粒子の4つの成分のうち、3つは
わ⁺
、
ず⁰
、 そして
わ⁻
 ボソンは縦方向成分を形成し、残りはスピン 0 のヒッグス粒子として現れます。

SU(2)ゲージ理論の弱い相互作用、電磁相互作用、ヒッグス機構を組み合わせたものは、グラショー・ワインバーグ・サラムモデルとして知られています。今日では、特に2012年にCMSとATLAS実験によってヒッグス粒子が発見されたことから、このモデルは素粒子物理学の標準モデルの柱の1つとして広く受け入れられています。

モデルは次のように予測している。
わ^±
そして
ず⁰
 ボソンの質量は次の通りです。

${\displaystyle {\begin{aligned}m_{{\text{W}}^{\pm }}&={\tfrac {1}{2}}vg\\m_{{\text{Z}}^{0}}&={\tfrac {1}{2}}v{\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}}}\end{aligned}}}$

ここでSU(2)ゲージ結合、U(1)ゲージ結合、ヒッグス真空期待値です。 ${\displaystyle g}$${\displaystyle g'}$${\displaystyle v}$

ベータ崩壊とは異なり、ニュートリノ以外の粒子が関与する中性カレント相互作用の観測には、粒子加速器や粒子検出器への巨額の投資が必要であり、これらは世界でも数少ない高エネルギー物理学研究所でしか利用できない（1983年以降にのみ利用可能）。これは、
ず
 ボソンは光子と似たような振る舞いをするが、相互作用のエネルギーが比較的巨大な質量に匹敵するまでは重要にはならない。
ず
 ボソン。

の発見
わ
そして
ず
 ボソンの発見はCERNにとって大きな成功と考えられていた。まず1973年に、電弱理論で予測されていた中性カレント相互作用が観測された。巨大なガルガメル泡箱は、ニュートリノ相互作用によって生成された軌跡を撮影し、ニュートリノが相互作用したが対応するレプトンを生成しなかった事象を観測した。これは中性カレント相互作用の特徴であり、ニュートリノが目に見えない粒子を交換すると解釈される。
ず
 泡箱内で陽子または中性子とニュートリノが相互作用します。ニュートリノは検出できないため、観測できる効果は相互作用によって陽子または中性子に与えられる運動量のみです。

の発見
わ
そして
ず
 ボソン自体は、それを生成できるほど強力な粒子加速器の建設を待たなければならなかった。最初に利用可能になったそのような装置はスーパープロトンシンクロトロンであり、そこでは
わ
ボソンは1983年1月にカルロ・ルビアとサイモン・ファン・デル・メール が行った一連の実験で発見された。実際の実験はUA1（ルビア主導）とUA2 （ピエール・ダリウラット主導）と呼ばれ、^{[9]多くの人々の共同作業であった。ファン・デル・メールは加速器側（}確率的冷却）の推進役であった。UA1とUA2は
ず
 数ヵ月後の1983年5月に、ルビアとファンデルメールは1984年のノーベル物理学賞を受賞しました。これは保守的なノーベル財団にとっては非常に異例なことでした。 ^[10]

の
わ⁺
、
わ⁻
、 そして
ず⁰
 ボソンと光子（
γ
）は、電弱相互作用の４つのゲージボソンを構成します。

2024年5月、粒子データグループは、これまでの実験に基づいて、Wボソンの世界平均質量を80369.2±13.3MeVと推定しました。^[11]

2021年現在、Wボソンの質量の実験的測定も同様に約1000万個に収束すると評価されている。80 379 ± 12 MeV、^[12]はすべて互いに一致しており、標準モデルとも一致しています。

2022年4月、2011年に閉鎖される前のフェルミ国立加速器研究所 テバトロン衝突型加速器の歴史的データの新たな分析により、Wボソンの質量が80 433 ± 9 MeVで、これは標準モデルで予測された値より7標準偏差上回っていた。^[13]標準モデルと矛盾しているだけでなく、新しい測定値はATLASなどの以前の測定値とも矛盾していた。これは、古い測定値または新しい測定値のいずれかに、機器の検出されていない不具合など、予期しない系統的エラーがあったことを示唆している。^[14]これにより、このデータ分析と他の過去の測定値の慎重な再評価、および潜在的な新しい結果を確認するための将来の測定の計画につながった。フェルミ国立加速器研究所のジョセフ・ライケン副所長は、「...（新しい）測定値は、完全に解釈される前に別の実験で確認される必要がある」と繰り返した。^{[15] [16]}

2023年に改良されたATLAS実験により、Wボソンの質量が測定された。80 360 ± 16 MeVであり、標準モデルの予測と一致している。^{[17] [18]}

粒子データグループは、この矛盾を理解するために、これまでのすべてのハドロン衝突型加速器実験のW質量の専門家を含む、テバトロンによるWボソン質量測定に関するワーキンググループを招集した。^[19] 2024年5月、彼らはCDF測定は外れ値であり、質量の最良の推定値はメタ分析からその測定を除外することで得られると結論付けた。「Wボソン質量の対応する値はmW = 80369.2 ± 13.3 MeVであり、これを世界平均として引用します。」^{[19] [20] [11]}

2024年9月、CMS実験ではWボソンの質量を80 360.2 ± 9.9 MeVと測定しました。これは、多数の崩壊の観測から得られた、これまでで最も正確な測定値でした。^{[21] [22] [23]}${\displaystyle \mathrm {W} \to \mu \nu }$

の
わ
そして
ず
 ボソンはフェルミオン対に崩壊するが、
わ
また、
ず
 ボソンは、最高質量のトップクォークに崩壊するのに十分なエネルギーを持っています。位相空間効果と高次補正を無視すると、結合定数からその分岐率の簡単な推定値を計算することが可能です。

わ
 ボソンはレプトンと反レプトン（一方は荷電し、もう一方は中性）^[d]、または相補的なタイプのクォークと反クォーク（電荷が反対である）に崩壊することができる。 ⁠±+1/3⁠と⁠∓+2/3⁠）。Wボソンのクォーク-反クォーク対への崩壊幅は、対応するCKM 行列要素の二乗とクォーク色の数N _C = 3 に比例します。W ⁺ボソンの崩壊幅は 、次の式に比例します。

ここ、
e⁺
、
μ⁺
、
τ⁺
3つのフレーバーのレプトン（より正確には、正に帯電した反レプトン）を表します。
ν
_e、
ν
_μ、
ν
_τニュートリノの3つのフレーバーを表す。他の粒子は、
あなた
そして
d
はすべてクォークと反クォークを表す（因子N _Cが適用される）。各種は対応するCKM行列係数を表す。^[e]${\displaystyle \,V_{ij}\,}$

CKM行列のユニタリー性は、2つのクォーク列のそれぞれの合計が3になることを 意味します。したがって、${\displaystyle ~|V_{\text{ud}}|^{2}+|V_{\text{us}}|^{2}+|V_{\text{ub}}|^{2}~=}$ ${\displaystyle ~|V_{\text{cd}}|^{2}+|V_{\text{cs}}|^{2}+|V_{\text{cb}}|^{2}=1~,}$
わ
 ボソンは約⁠${\displaystyle \,B(\mathrm {e} ^{+}\mathrm {\nu } _{\mathrm {e} })=\,}$${\displaystyle \,B(\mathrm {\mu } ^{+}\mathrm {\nu } _{\mathrm {\mu } })=\,}$${\displaystyle \,B(\mathrm {\tau } ^{+}\mathrm {\nu } _{\mathrm {\tau } })=\,}$ 1/9⁠ . ハドロンの分岐比はCKMに有利な
あなた

d
そして
c

s
最終状態。ハドロン分岐比の合計は実験的に測定され、67.60 ± 0.27%、${\displaystyle \,B(\ell ^{+}\mathrm {\nu } _{\ell })=\,}$ 10.80 ± 0.09% . ^[24]

ず
 ボソンはフェルミオンとその反粒子に崩壊する。
ず⁰
 ボソンは対称性の破れ前の
わ⁰
そして
B⁰
 ボソン（弱混合角を参照）の場合、各頂点因子には因子 が含まれます。ここで、はフェルミオンの弱アイソスピンの 3 番目の成分（弱い力の「電荷」）、はフェルミオンの電荷（素電荷の単位）、 は弱混合角です。 弱アイソスピン は、左巻きまたは右巻きの異なるカイラリティのフェルミオンでは異なるため、結合も異なります。 ${\displaystyle ~T_{3}-Q\sin ^{2}\,\theta _{\mathsf {W}}~,}$${\displaystyle \,T_{3}\,}$${\displaystyle \,Q\,}$${\displaystyle \;\theta _{\mathsf {w}}\;}$${\displaystyle (\,T_{3}\,)}$

各結合の相対的な強さは、崩壊率にこれらの因子の二乗と、すべての可能な図（例えば、クォーク族の合計、左寄与と右寄与）が含まれることを考慮すると推定できます。以下に表にまとめた結果は、フェルミ理論のツリーレベルの相互作用図のみを含むため、単なる推定値です。

表記を簡潔にするため、表では${\displaystyle ~x=\sin ^{2}\,\theta _{\text{W}}~.}$

*トップクォーク-反クォーク対への不可能な崩壊は表から除外されている。^[g]

サブ見出し「LEFT」と「RIGHT」は、フェルミオンのカイラリティまたは「利き手」を表します。 ^[f]

2018年、CMSの共同研究は、
ず
 ボソンをψ中間子とレプトン-反レプトン対に変換する。^[26]

• ボーズ・アインシュタイン統計 – ボソンの挙動の記述
• 粒子のリスト
• 標準モデルの数学的定式化 – 素粒子物理モデルの数学
• 弱い電荷
• W′ ボソンと Z′ ボソン – 物理学における仮説上の粒子
• X ボソンと Y ボソン – 仮説上の素粒子:大統一理論によって予測される類似のボソンのペア
• ZZ ディボソン – 亜原子粒子Pages displaying wikidata descriptions as a fallback

• ウィキメディア・コモンズのWボソンとZボソンに関連するメディア
• 粒子特性に関する究極の情報源である「粒子物理学レビュー」。
• W 粒子と Z 粒子: ピエール・ダリウラによる個人的な回想
• CERN がアルファベットの終わりを見たとき ダニエル・デネグリ
• Hyperphysics の W 粒子と Z 粒子