W- og Z-bosoner: Definition og den svage krafts bærere
Få klar indsigt i W- og Z-bosoner: opdagelsen i 1983, deres rolle som bærere af den svage kraft, ladninger, antipartikler — en letforståelig guide til elementarpartikler.
W- og Z-bosoner er en type elementarpartikler og tilhører gruppen af bosoner. De er vektorbosoner med spin 1. Begge blev observeret eksperimentelt i 1983 ved CERN. Sammen er de ansvarlige for den kraft, vi kalder den svage kraft, som er svagere end den stærke kraft, men afgørende for processer som radioaktivt henfald og nukleosyntese i stjerner. Der findes to elektrisk ladede W-bosoner, W+ og W– (hvor W– er antipartiklen til W+), mens Z-bosonen er elektrisk neutral og er sin egen antipartikel.
Egenskaber og nøgletal
- Spin: 1 (vektorbosoner).
- Masstal: W-bosonen har en hvilemasse på omkring 80,4 GeV/c², Z-bosonen omkring 91,2 GeV/c².
- Levetid: Meget kort — typisk omkring 3 × 10−25 s, hvilket gør dem svære at observere direkte; de identificeres normalt gennem deres sammenbrudsprodukter.
- Elektrisk ladning: W+ (+1), W– (−1), Z (0).
Rolle i den svage interaktion
W- og Z-bosoner formidler den svage kraft i den elektrosvage teori (Glashow–Weinberg–Salam-modellen). W-bosonerne står for de såkaldte ladningsførende (charged-current) svage processer, hvor partiklers type (smag) kan ændres — et klassisk eksempel er beta-henfald: en neutron omdannes til en proton ved udsendelse af en W–, som hurtigt henfalder til et elektron og en antineutrino. Z-bosonen formidler neutrale svage processer (neutral-current), hvor partiklens elektriske ladning ikke ændres, men der alligevel sker vekselvirkning gennem svag kraft.
Opdagelse og teoretisk baggrund
W- og Z-bosonerne var forudsagt af elektrosvag teori. Deres eksperimentelle påvisning i 1983 ved eksperimenterne UA1 og UA2 på CERN bekræftede denne teori. Deres betydelige masser forklares af Higgs-mekanismen: ved spontan symmetribrud i elektrosvage vekselvirkninger får W- og Z-bosonerne masse ved kobling til Higgs-feltet.
Hvorfor er de vigtige?
- De forklarer fundamentale processer som radioaktivt beta-henfald og visse typer partikelsammenstød.
- De er centrale i forståelsen af stjerners energiproduktion og nukleosyntese.
- Studier af W- og Z-bosoner giver præcise tests af Standardmodellen og følsomhed over for ny fysik (f.eks. afvigelser i samspil eller uventede henfaldsmønstre).
Observation i eksperimenter
På grund af deres korte levetid observeres W- og Z-bosoner indirekte via deres henfaldsprodukter, f.eks. par af leptoner (elektron + neutrino for W, elektron–positron eller muon–antimuon for Z) eller hadroner. Højenergi-kollidere som Large Hadron Collider (LHC) producerer mange W- og Z-bosoner, hvilket gør det muligt at måle deres egenskaber meget præcist.
Samlet set er W- og Z-bosonerne bærere af den svage kraft og centrale komponenter i vores forståelse af elementarpartikler og deres vekselvirkninger.
Navngivning
W-bosoner er opkaldt efter den svage kraft, som de er ansvarlige for. Den svage kraft er det, som fysikere mener er ansvarlig for nedbrydningen af nogle radioaktive grundstoffer i form af beta-henfald. I slutningen af 70'erne lykkedes det forskerne at kombinere de tidlige versioner af den svage kraft med elektromagnetisme og kaldte det for den elektrosvage kraft.
Dannelse af W- og Z-bosoner
Man ved kun, at W- og Z-bosoner kan dannes ved beta-henfald, som er en form for radioaktivt henfald.
Beta-forfald
Beta-henfald opstår, når der er mange neutroner i et atom. Et forenklet diagram viser, at en neutron svarer til en proton og en elektron. Når der er for mange neutroner i en atomkerne, vil en neutron dele sig og danne en proton og en elektron. Protonen bliver hvor den er, og elektronen bliver sendt ud af atomet. Den resulterende betastråling er skadelig for mennesker.
Man mener, at den svage kraft kan ændre en kvarks smag. Når den f.eks. ændrer en nedadgående kvark i en neutron til en opadgående kvark, bliver neutronens ladning +1, da den vil have samme kvarkopsammensætning som en proton. Neutronen med tre kvarker og en ladning på +1 er herefter ikke længere en neutron, da den opfylder alle kravene til at være en proton. Derfor vil beta-henfaldet medføre, at en neutron bliver til en proton (sammen med nogle andre slutprodukter).
W boson henfald
Når en kvark skifter smag, som det sker i beta-henfaldet, frigiver den en W-boson. I gennemsnit varer W-bosoner kun 3x10-25 sekunder, før de selv henfalder til andre partikler, hvilket er grunden til, at vi ikke havde opdaget dem før for mindre end et halvt århundrede siden. Overraskende nok har W-bosoner en masse på ca. 80 gange protonens masse. Husk på, at den neutron, som den stammer fra, har næsten samme vægt som protonen. I kvanteverdenen er det ikke ualmindeligt, at en mere massiv partikel kommer fra en mindre massiv partikel; den ekstra masse kommer fra oplagret energi via Einsteins berømte formel 
. Når de 3x10-25 sekunder er gået, henfalder en W-boson til en elektron og en neutrino. Da neutrinoer sjældent vekselvirker med stof, kan vi ignorere dem fra nu af. Elektronen bliver skubbet ud af atomet med høj hastighed. Den proton, der blev produceret ved beta-henfaldet, bliver i atomkernen og hæver atomnummeret med én.
Z boson henfald
Z-bosoner forudsiges også i fysikkens standardmodel, som med succes forudsagde eksistensen af W-bosoner. Z-bosoner henfalder til en fermion og dens antipartikel, som er partikler såsom elektroner og kvarker, der har spin i enheder svarende til halvdelen af den reducerede plankkonstant.
| Partikler i fysik | |||||||||||||
| |||||||||||||
| Komposit |
| ||||||||||||
| |||||||||||||
Dette er et diagram over beta-henfald. "udd" og "n" henviser til en neutron, der består af en op-kvark og to ned-kvarker. "udu" og "p" henviser til en proton, der består af to op- og en nedkvark. W– henviser til en W– boson, som henfalder til en e– (elektron) og en ve med en streg over sig (en elektron-antineutrino). "t" henviser til tid.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er W- og Z-bosoner?
Svar: W- og Z-bosoner er en gruppe af elementarpartikler.
Spørgsmål: Hvad er W- og Z-bosonernes spin?
A: W- og Z-bosoner har et spin på 0 eller 1, hvilket betyder, at de er bosoner.
Sp: Hvornår blev W- og Z-bosoner opdaget?
Svar: Begge var blevet fundet i eksperimenter i 1983.
Sp: Hvilken kraft skaber W- og Z-bosoner?
A: Sammen er de ansvarlige for en kraft, der er kendt som "svag kraft".
Spørgsmål: Hvorfor kaldes den svage kraft?
A: Den svage kraft kaldes svag, fordi den ikke er lige så stærk som den stærke kraft.
Spørgsmål: Hvor mange typer W-bosoner findes der?
Svar: Der findes to typer W-boson, den normale W+ og dens antipartikel, W -.
Spørgsmål: Findes der antipartikler til Z-boson?
Svar: Nej, Z-bosonerne er deres egne antipartikler.
Søge