Mõõtmisbosonid — määratlus ja näited: W-, Z-bosonid, gluonid, fotoonid

Uurige mõõtmisbosonide (W, Z, gluonid, fotoonid) määratlust, rolli Standardmudelis ja näiteid — lihtne selgitus massi, Higgsi ja fundamentaaljõudude kohta.

Mõõtmisbosonid on kolme neljast tuntud fundamentaaljõust kandjaosakesed. Osakestefüüsika standardmudelis on nelja liiki mõõtmisbosone. Need osakesed vahendavad vastavaid jõude ja määravad, kuidas muud osakesed (nt kvargid ja laenguga leptonid) üksteisega mõjutavad.

1. W- ja Z-bosonid, mis kannavad nõrka jõudu

   W- ja Z-bosonid vahendavad nõrka vastasmõju, mille ilmingud on näiteks radioaktiivne beetahajumine ja mitmed osakestevahelised muundumised. W-bosonid esinevad kahes laengulises olekus (W+ ja W−), Z-boson on neutraalne. Need osakesed on suhteliselt rasked — W-bosoni mass on ligikaudu 80 GeV/c² ja Z-bosoni mass umbes 91 GeV/c² — seetõttu on nõrk jõud lühikese ulatusega (väikesevahemikuline).

2. Gluoonid, mis kannavad tugevat jõudu

   Gluoonid vahendavad tugevat vastasmõju, mis seob kvarke hadroonideks (näiteks prootoniteks ja neutroniteks). Gluoonide hulka kuulub mitu eri tüüpi (tavaliselt kirjeldatakse neid kaheksa eri värnusega vastavalt kvantvärviteooriale). Gluoonid on massita vastavalt teooriale, kuid nad ei eksisteeri vabalt kõrge energiata tingimustes — tugev jõud konfetseerib kvargid ja gluoonid kokku, mistõttu vabu gluoone ei leita. Tugevas vastasmõjus ilmneb ka asümptootiline vabadus: väga kõrgetel energiatel muutuvad kvargid ja gluoonid üksteise suhtes peaaegu vabad.

3. Fotoonid, mis kannavad elektromagnetilist jõudu

   Fotoon (γ) vahendab elektromagnetilist vastasmõju, mis on pikaulatuslik ja klassikalises ulatuses toimub vastavalt Maxwelli elektromagnetlainetele. Fotoon on massita ning kannab elektromagnetilist laengut mitteseotud vastasmõju — see mõjutab kõiki laenguga osakesi. Elektromagnetiline vastasmõju määrab paljude aine makroskoopiliste omaduste (nt elektrijuhtivus, keemilised sidemed) käitumise.

Ainus järelejäänud fundamentaaljõud, millel ei ole standardmudeli piires teadaolevat mõõtmisbosooni, on gravitatsioon. Gravitatsiooni teoreetilist mõõtmisbosoni nimetatakse gravitoniks — see on hüpoteetiline osake, mille olemasolu ja omadused (nt spinn 2) kuuluvad kvantgravitatsiooni uurimisteemade alla, kuid gravitonit ei ole kindlalt tuvastatud ega kuulu standardmudelisse.

Olulisemad omadused ja märkused

• Kõik mõõtmisbosonid on bosonid, mis tähendab, et nad järgivad Bose–Einsteini statistikat: kaks või enam identset bosoni võivad korraga olla samas kvantolekus. See erineb fermionidest, mis järgivad Paulilauseke ja ei saa sama kvantoleku korraga hõivata.
• Mõõtmisbosonitel on tavaliselt spinn 1 (need on vektorosakesed). Erandid: Higgsi boson (standardeis mitte-mõõtmisboson) on skaalarosake (spinn 0) ja hüpoteetiline graviton oleks spinn 2.
• Massi saamine: arvatakse, et mõõtmisbosonid suhtlevad Higgsi väljaga. Selle kaudu toimuv elektrokeemilise sümmeetria lagunemine (Higgsi mehhanism) annab massi W- ja Z-bosonidele, samas kui fotoonid ja gluoonid jäävad efektiivselt massituks. Massi tekkimine on seega seotud Higgsi väljaga ja selle sümmeetria murdumisega.
• Gluoonidel ja W/Z-fotonidel on olulised erinevused: gluoonid on mittelineaarsed (nad kanduvad värnusega ja võivad omavahel suhelda), mis annab tugevale jõule unikaalsed omadused (konfinees ja asümptootiline vabadus). Elektromagnetiline vastasmõju on Abeliaansem ning fotoon ei suhtle otseselt iseendaga.
• Mõõtmisbosonid ja eksperimenteerimine: W- ja Z-bosonid leiti 1983. aastal CERNis; gluoonidele viitavad nähtused (nt kolme-jetiline sündmus) tuvastati kõrgenergia osakestekiirendites; fotoonid on kõige laialdasemalt tuntud ja paljude katsete osa. Ka Higgsi bosoni avastamine 2012. aastal kinnitas osa mehhanismidest, mis annavad massi mõõtmisbosonidele.

Kokkuvõtlikult: mõõtmisbosonid on standardmudeli keskne osa, mis vahendavad kolme fundamentaalset jõudu — nõrka jõudu, tugevat jõudu ja elektromagnetilist jõudu. Nende omadused (laeng, mass, spinn, enesekoostöö) määravad jõudude ulatuse ja iseloomu ning on aktiivse uurimistöö objektiks nii teoreetiliselt kui eksperimentaalselt.

Küsimused ja vastused

K: Mis on gabariidid?

K: Mitu liiki mõõtmisbosoneid on olemas?

K: Millised mõõtmisbosonid kannavad nõrka jõudu?

K: Millised mõõtmisbosonid kannavad tugevat jõudu?

K: Millised mõõtmisbosonid kannavad elektromagnetilist jõudu?

K: Kuidas nimetatakse gravitatsiooni teoreetilist mõõtmisbosoni?

K: Mis on mõõtmisbosoni spinni väärtus?

Otsing