W- og Z-bosoner | gruppe af elementarpartikler

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 E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} . 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.

 
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.