Jeżeli chodzi o oddziaływanie słabe to przeczytałem, że Yukawa pierwszy wyprowadził wymianę bozonu, jednak on proponował pion za pośrednika siły słabej. Skąd wiemy, że bozony W to cząstki elementarne, a nie odpowiednik pionów składających się z cięższych generacji kwarków?
Skąd wiemy, że bozon W jest cząstką fundamentalną?
Pytanie
Odpowiedź
Oddziaływania słabe opisujemy współcześnie w ramach Modelu Standardowego, w którym bozon $W$ jest tzw. bozonem cechowania, czyli cząstką fundamentalną, a nie stanem związanym. Alternatywne koncepcje można oczywiście rozważać, ale oznaczałoby to rezygnację z Modelu Standardowego, którego ilościowe przewidywania bardzo dobrze zgadzają się z obserwacjami w tysiącach różnych doświadczeń. Musielibyśmy tę zgodność uznać za przypadkową.
Przykładową prostą wielkością obserwowaną jest prawdopodobieństwo rozpadu bozonu $W$ na parę lepton-neutrino. Pomiary mówią, że wynosi ono $(10.71 \pm 0.16)\%$ w przypadku elektronów, $(10.63 \pm 0.15)\%$ w przypadku mionów oraz $(11.38 \pm 0.21)\%$ w przypadku taonów. Pozostałe obserwowane rozpady mają w stanach końcowych hadrony (stany związane kwarków), i zachodzą z prawdopodobieństwem $(67.41 \pm 0.27)\%$. Wiemy, że z bardzo dobrym przybliżeniem możemy te prawdopodobieństwa obliczyć zaniedbując masy produktów rozpadu, gdyż są one znacznie mniejsze od masy bozonu $W$. Możemy ponadto w dobrym przybliżeniu wyznaczyć łączne prawdopodobieństwo wszystkich możliwych rozpadów na hadrony, zakładając, że jest ono równe teoretycznemu prawdopodobieństwu rozpadów na kwarki w sytuacji, gdyby nie tworzyły one stanów związanych. Mamy 3 możliwe (wymienione powyżej) kanały rozpadu na leptony, oraz 6 możliwych kanałów rozpadu na kwarki. Liczbę 6 otrzymujemy mnożąc 3 przez 2, gdzie 3 odpowiada ilości tzw. kolorów w oddziaływaniach silnych, a 2 odpowiada ilości generacji lekkich kwarków górnych. Model Standardowy przewiduje, że prawdopodobieństwo rozpadu w każdym kanale jest takie samo, ze względu na wynikającą z symetrii tej teorii uniwersalność oddziaływań bozonu $W$ z kwarkami i leptonami. W dobrym przybliżeniu prawdopodobieństwo rozpadu na parę lepton-neutrino wynosi więc
$1/(3 + 6) \simeq 11.11\%$,
a prawdopodobieństwo rozpadu na hadrony
$6/(3 + 6) \simeq 66.67\%$.
Dobrą zgodność tych wyników z eksperymentem trzeba by uznać za czysto przypadkową w sytuacji, w której przyjęlibyśmy hipotezę, że bozon $W$ jest stanem związanym.