Částicové Zoo - W a Z bosony a slabá jaderná interakce

Vesmír, který vidíme kolem sebe, tvoří jen 4 druhy částic. Říká se jim fermiony. Vesmír se ale neskládá jen z hmoty, jeho součástí jsou také síly, které ji drží pohromadě. Tyto síly jsou přenášeny jinými částicemi, tzv. bosony.

Bosony dostaly svůj název po indickém fyzikovi Satyendra Nathovi Bosem. Na první pohled jsou neviditelné. Jako samostatné částice neexistují. Na malou chvíli se vytváří jen při velice vysokých energiích v urychlovačích,  aby se zase rychle rozpadly na jiné, lehčí částice.

V našem pomyslném částicovém Zoo poletují W a Z bosony (na první pohled nenápadné) kolem vodních nádrží, ke kterým se chodí napít i ostatní zvířata. Když vydržíte na jednom místě a nebudete se moc hýbat, uvidíte jejich kovově blyštivá těla, vznášející se nad vodou. Většinu svého života sice stráví v podobě dravé larvy pod vodní hladinou, o to poutavější je ale jejich zjev, když se z larvy vylíhne dospělá vážka.

Slabá jaderná interakce – jedna z podmínek pro vznik života

W a Z bosony jsou  částicoví bratři, kteří zprostředkovávají slabou jadernou interakci, záhadnou a na první pohled nepříliš aktivní fyzikální sílu.

Hned druhý pohled ale odhalí zajímavou skutečnost. Vesmír, ve kterém neexistuje slabá jaderná interakce neumožňuje vznik života. Díky slabé jaderné interakci se rozpadají neutrony na protony. Její zásluhou se v původním vesmíru uchovalo velké množství vodíku, ze kterého se mohly tvořit hvězdy. Pokud by tato síla neexistovala, nacházela by se hmota v raném vesmíru ve formě helia. Ve vesmíru při jeho vzniku totiž panovala dostatečně  vysoká energie na to, aby se mohla veškerá hmota (vodík) přeměnit na helium. Helium by také mohlo tvořit hvězdy, ve kterých by se spalovalo a ve kterých by se vytvářely těžší prvky. Tato hvězdy by ale byly daleko větší, hmotnější a vysílaly by do okolí intenzivnější záření, které by i ty sebemenší stopy života (v jeho dnešní, organické formě) ve vesmíru „vydezinfikovalo“.

Zatímco je Z boson elektricky neutrální, nese W boson elektrický náboj. Může se vyskytovat ve formě W+ nebo W-.  Obě částice jsou zároveň svými antičásticemi.

V minulé kapitole jsme si povídali o jiné částici – fotonu. Ten zprostředkovává elektromagnetickou sílu, je nehmotný a žije prakticky věčně. W a Z bosony jsou jejich opakem. W boson je relativně těžký, váží zhruba 80x více než proton. Jeho život trvá jen kolem 3x10^-25s. Na rozdíl od elektromagnetické síly má slabá jaderná interakce také omezený dosah. Projevuje se jen do vzdálenosti zhruba 10^-18m, tedy jen  tisíciny průměru protonu. O to zajímavější je fakt, že na samém počátku existence vesmíru, v době, kdy byla teplota vesmíru kolem 10^15 – 10^16 K, byly fotony a W a Z bosony nerozlišitelné – chovaly se stejně, jak se podařilo ověřit při experimentech v urychlovačích.

W bosony

W bosony se účastní většiny procesů jako virtuální částice. Na velice krátkou dobu vznikají z fluktuací vakua a pak znovu zanikají. To jim umožňuje účast i na takových jevech, které nemají dostatečnou energii, aby se při nich vytvořil reálný W boson.

Reálné W bosony se vědcům poprvé podařilo vytvořit v urychlovači v CERNu v roce 1983. Vznikají například při srážkách elektronů s pozitrony. Žijí ale ještě kratší dobu, než jakou fyzici udávají pro jejich virtuální bosonové kolegy - jen asi 3x10^-25s. Poté se rozpadají na lehčí částice. Třetina produktů jejich rozpadu je tvořena leptony, dvě třetiny hadrony (částicemi, složenými ze dvou nebo tří kvarků).

W bosony jsou to, čemu by se dalo říkat čarovné částice. Umožňují interakce mezi leptony i kvarky. Mění přitom jejich náboj a částečně i spin – základní vlastnosti částic. Ze záporně nabitého elektronu tak může emisí W- bosonu vzniknout elektronové neutrino, elektricky neutrální částice.

U kvarků umožňují W bosony druhovou přeměnu (mění jejich „vůně“ - flavours). Pozorujeme ji při radioaktivní „přeměně beta minus“, kdy se v neutronu mění jeden z down kvarků na up kvark a vytvoří tak z neutronu proton. Při této interakci vzniká z neutrálního neutronu pozitivní proton, zákon zachování náboje tedy vyžaduje, aby vyzářený W- boson byl elektricky záporný a nesl  náboj -1. Samotný boson je jen virtuální a rozpadá se na elektron a elektronové antineutrino. Antineutrina se dokazují velice špatně, ale elektrony se projeví jako ionizující beta záření. Odtud pochází i název radioaktivní přeměna beta minus.

Z bosony

 Také Z bosony se podílejí na „čarovné“ přeměně částic. Na rozdíl od W bosonu ale u kvarků nemění jejich „vůni“ (flavour). Zprostředkovávají interakci nejen elektricky nabitých, ale i neutrálních částic. Z bosony jsou svými vlastními antičásticemi. Žijí jen krátce a rozpadají se na 70 % hadronů (částic,  složených z několika kvarků), 10 % elektricky nabitých párů leptonů (pozitron-elektron) a 20 % částic, které nejsme schopni detekovat. U těch se pravděpodobně jedná o neutrina.

Nejpopulárnějším procesem, na kterém se Z bosony podílí, je důkaz slunečních neutrin. Z bosony přenášejí kinetickou energii dopadajících neutrin na neutrony, které se rozpadají na protony a elektrony. Vzniklé elektrony se pak dají zachytit vhodnými detektory. Přítomnost elektronů tak prozradí existenci původních neutrin.

Příště: Částicové Zoo – gluony, vesmírné lepidlo