Y-бозон – это гипотетическая элементарная частица, обладающая относительно большой массой ($m \sim 10^{14} – 10^{15}ГэВ$), положительным зарядом, равным $\pm \frac{1}{3}$, спином, равным единице, тремя «цветами».
Y-бозон принимает участие в следующих видах взаимодействия:
- гравитационном,
- электромагнитном.
Полагают, что Y-бозон является переносчиком взаимодействий между кварками и лептонами.
Фермионы и бозоны
Основной моделью физики больших энергий в настоящее время стала так называемая, Стандартная модель. В этой модели зависимости от значения спина все частицы делят на два больших класса:
- частицы, обладающие полуцелым спином ($S=(n+\frac{1}{2}) \hbar,)$ где $n$ - целое число), называют фермионами;
- частицы, имеющие целый спин ($S=(n \hbar,)$ носят названия бозонов.
В данном кванотовомеханическом состоянии может пребывать любое количество бозонов, но единственный фермион данного типа (принцип Паули).
Наличие фермионов в природе говорит о том, что спин частицы не может быть сведен только к движению ее компонент по орбите. Спин – это основополагающее и еще невыясненное свойство материи.
В группе $SU (5)$ имеется 24 бозона. Из них:
- 12 относительно давно известны (это глюоны, промежуточные бозоны и фотон);
- 12 бозонов новые (это $X$ и $Y$ - бозоны).
Группа $SU(5)$ была предложена Джорджи и Глэшоу в 1974 году в качестве симметрии Великого объединения.
Элементарные частицы
Чаще всего элементарными частицами в физике называют частицы, которые невозможно разделить на составные части.
Отнесение к категории элементарных частиц с течением времени изменяется. Так, ранее атом считали элементарной неделимой частицей, позднее выяснилось, что атом можно разложить на компоненты.
В настоящее время электроны более отвечают определению элементарности, чем протоны и нейтроны (в общем нуклоны), так как нуклоны обладают относительно большими размерами ($\sim 10^{-13}$ см) и сложной внутренней структурой.
Термин «элементарный» не следует воспринимать слишком буквально.
К распространенным элементарным частицам относят:
- фотон ($\gamma$),
- нейтрино ($\nu$),
- электрон ($e$),
- протон ($p$)...
Элементарные частицы могут быть более стабильными (не распадаться или распадаться очень медленно) и менее стабильными. Нижняя граница жизни
- электрона составляет $\approx 10^{22}$ лет,
- протона $\approx 10^{30}$ лет,
- свободного нейтрона $\approx 10^{3}$ лет. (Время жизни нейтрона, связанного в ядре не менее времени жизни протона).
Время жизни Вселенной предполагается равным $10^{10}$ лет.
Следует помнить, что продукты распада элементарных частиц не являются их составными частями, а рождаются при распаде этих частиц.
Распад протона и нейтрона
При взаимодействии с $X$ и $Y$ - бозонами только пяти фермионов ($\tilde d, e, \nu$) барионный заряд сохранялся бы, несмотря на то, что данные бозоны переводят кварки в лептоны.
Аналогичная ситуация свойственна для $W$ - бозонов, которые дают переходы взаимные переходы электрон – нейтрино и наоборот, при которых электрический заряд сохраняется.
Виртуальный $W$ отнимает у фермиона заряд при своем испускании и отдает им его при поглощении.
Изменение барионного заряда для $X$ и $Y$ - бозонов связывают с тем, что это бозоны-совместители, которые взаимодействуют с двумя видами токов. Данное совместительство вызывается тем, что количество элементарных токов превосходит число калибровочных бозонов. Так полное число бозонов – 24, между 15 фермионами одного поколения обнаруживается 125 токовых переходов.
Получается, что по совместительству:
- $X$ - бозоны переводят $u$ - кварки в $\tilde u$ - кварки;
- $Y$ - бозоны переводят $u$ -кварки в $\tilde d$ - кварки.
В результате один и тот же бозон способен переходить и в пару антилептон плюс антикварк и в пару кварков:
- $X \to u+ \tilde u$; $X \to e^++ \tilde d$ (1);
- $Y \to u+ \tilde d$; $Y \to \tilde{\nu_e}^++ \tilde d (2)$.
Легко увидеть, что из выражений (1) мы получаем переход:
$u+u+d \to e^+ (3),$
где комбинация $uud$ - протон, следовательно, выражения (1) описывают распад протона.
Выражения (2) описывают распад нейтрона:
$udd \to \tilde{\nu}_e.$
Как уже отмечалось время жизни протона очень велико. Однако, это время жизни считается измеримым так как:
- в соответствии с законами квантовой механики распад даже одного нуклона с малой вероятностью можно наблюдать за любой малый промежуток времени;
- нуклонов в природе громадное число (один грамм любого вещества содержит $6\bullet 10^{23}$ нуклонов).
Получается, что если взять 16 000 кг воды (это $10^{31}$ нуклонов) и наблюдать за ними один год, то считая, что нуклон живет $10^{30}$ лет, в образце можно увидеть 10 распадов протонов и нейтронов.
Проблемой данного наблюдения становится фон, который вызывают космические лучи. На каждый квадратный сантиметр Земли падает одна высокоэнергичная частица в секунду.
Для уменьшения фона исследуемые образцы размещают глубоко под землей. Это значительно уменьшает поток заряженных частиц, в проникающих лучах остаются только нейтрино (нейтрино мало взаимодействует с веществом). Поток нейтрино мал, но исследуемое явление еще слабее. Чтобы надежно выделить распад протона, надо проверить, как в нем осуществляется баланс, обусловленный сохранением энергии и импульса.
Поиски распада протона проводят примерно в 20 лабораториях под землей. Уже доказано, что время жизни протона больше, чем $10^{30}$ лет.
В прессе периодически появляются сообщения, что найдены «кандидаты» на протонный распад, но пока убедительных подтверждений нет. Об одном таком случае, например, сообщала группа физиков, которая проводит эксперименты под Монбланом. Другое сообщение этого рода пришло от исследователей из Индии, которые работают в лаборатории в самой глубокой шахте мира.
Некоторая часть ученых полагает, что если время жизни протона составит более $10^{35}$ лет, то распад этого нуклона обнаружить практически невозможно.
