Ancora sul bosone Z
Le particelle il cui scambio media le interazioni deboli sono i bosoni carichi W+, W- ed il bosone neutro Z. Guardiamo ora in dettaglio come la particella Z può decadere dopo essere stata prodotta.
Decadimento del bosone Z
Essendo lo Z neutro, la somma delle cariche elettriche dei suoi prodotti di decadimento deve essere 0, perché in natura la carica elettrica è conservata.
Quindi lo Z deve decadere in una coppia particella-antiparticella. Il 100% di probabilità di decadimento dello Z è suddiviso fra diversi gruppi di particelle in base ad ulteriori leggi di conservazione:
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Nel 10% dei decadimenti dello Z si producono coppie leptone-antileptone. I tre possibili tipi di coppie di leptoni carichi sono elettrone-positrone, muone-antimuone e tau-antitau. Ogni coppia si produce circa con la stessa probabilità.
- Ciò fornisce 3 possibilità di decadimento
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Nel 20% dei casi il bosone Z decade in una coppia neutrino-antineutrino. Il nostro rivelatore non è in grado di rivelare i neutrini, perché essi interagiscono pochissimo con la materia (non hanno carica elettrica). Quindi i neutrini sono invisibili per noi e l'unico modo per "vederli" è misurare che vi sia una certa quantità di energia o di quantità di moto trasversa mancante dopo la collisione (perché sappiamo che sia l'energia che la quantità di moto trasversa si conservano nella collisione).
- I decadimenti in neutrini danno altre 3 possibilità.
- Nel 70% dei decadimenti dello Z si produce una coppia quark-antiquark, che appare nel rivelatore come sciami di particelle chiamati "jets".
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I quark hanno una proprietà chiamata “colore” ed ogni quark esiste in 3 colori.
- Sommando i 6 tipi di quark (up, down, charm, strange, top, bottom), ciascuno in 3 colori, otteniamo 18 possibilità di decadimento.
Abbiamo quindi in totale 24 possibilità di decadimento, delle quali solo 21 sono visibili. “Fortunatamente” ci concentreremo solo su due dei modi di decadimento più facilmente rivelabili: il decadimento in elettrone-positrone e quello in muone-antimuone.
I fisici usano i diagrammi di Feynman per visualizzare la produzione ed il decadimento delle particelle. Segui questo link per saperne di più sui diagrammi di Feynman. Guarda i diagrammi di Feynman dei decadimenti dello Z in elettrone-positrone e muone-antimuone.
Misura del bosone Z
Le caratteristiche del bosone Z sono state misurate con grande precisione nel precedente grande acceleratore di particelle del CERN, il LEP (Large Electron-Positron Collider). Infatti, il LEP veniva addirittura chiamato "la fabbrica delgli Z"! Il bosone Z è un pezzo indispensabile del puzzle che costituisce la teoria delle particelle elementari e delle loro interazioni. I bosoni W e Z sono i mediatori di tutti i fenomeni che coinvolgono le interazioni deboli. La teoria delle interazioni deboli descrive perfettamente il modo in cui i bosoni Z e W si comportano. Uno dei più importanti risultati ottenuti dagli esperimenti al LEP è stata la misura accurata di tutti i decadimenti dello Z osservabili (ovvero in leptoni carichi ed in adroni, i quali sono poi stati usati per estrarre informazioni sul decadimento dello Z in neutrino-antineutrino). Questa informazione ha dimostrato che, alle energie attuali, esistono esattamente 3 famiglie di neutrini, e quindi 3 famiglie di quark e leptoni.
Ciò è in accordo con tutte le misure esistenti oggi ed è quindi un risultato di grande valore, perché conferma che il bosone Z ha in Natura e nella teoria esattamente il ruolo che ci aspettiamo.