W-Boson

W-Boson
Klassifikation
Elementarteilchen Boson Eichboson
Eigenschaften
Ladung	±1 e (±1.602 · 10⁻¹⁹ C)
Masse	(1,433 · 10⁻²⁵) kg (80 385 ± 15) MeV/c²
Spin	1
mittlere Lebensdauer	3 · 10⁻²⁵ s
Zerfallsbreite	(2 085 ± 42) MeV
Wechselwirkungen	schwach elektromagnetisch Gravitation

Das W-Boson ist ein Eichboson und damit ein Elementarteilchen. Es vermittelt ebenso wie das mit ihm verwandte Z-Boson die schwache Wechselwirkung, eine der fundamentalen Grundkräfte der Physik. Während das Z-Boson elektrisch neutral ist, trägt das W-Boson eine elektrische Ladung; man unterscheidet $W^{+}$ und $W^{-}$ . Das W-Boson ist verantwortlich für die sogenannten geladenen Ströme der schwachen Wechselwirkung. $W^{+}$ und $W^{-}$ sind gegenseitig Antiteilchen.

W-Boson steht für W = weak (engl.) = schwach und Boson, nach dem indischen Physiker Satyendranath Bose.

Eigenschaften

Feynman-Diagramm für den Beta-Zerfall eines Neutrons in ein Proton, Elektron und Elektron-Antineutrino über ein W-Boson

Da das W-Boson mit seiner rund 80-fachen Protonenmasse recht schwer und mit einer Lebensdauer von 3 · 10⁻²⁵ s sehr kurzlebig ist, ist seine Reichweite und damit auch die Reichweite der schwachen Wechselwirkung sehr kurz (zirka 10⁻¹⁸ m, etwa ein Tausendstel des Durchmessers eines Protons). Zu vielen Prozessen trägt es nur als virtuelles Teilchen bei. Dadurch kann es auch in Prozessen auftreten, die nicht die nötige Energie für die Erzeugung eines realen W-Bosons haben.

Als reales Teilchen kann das W-Boson an Teilchenbeschleunigern erzeugt werden, z.B. über die Reaktion e⁺ e⁻ → W⁺ W⁻. Die so erzeugten W-Bosonen sind äußerst kurzlebige Teilchen (Zerfallsbreite 2,085 ± 0,042 GeV, dies entspricht einer Lebensdauer von 3 · 10⁻²⁵ s), die zu etwa 32 % in Leptonen und zu 68 % Hadronen zerfallen und über diese Zerfallsprodukte nachgewiesen werden. Experimentell nachgewiesen wurde das W-Boson zuerst im Januar 1983 durch UA1 und UA2 am CERN.

Vermittlung der Wechselwirkung

W-Bosonen können die schwache Wechselwirkung sowohl zwischen Leptonen als auch zwischen Quarks vermitteln. Dabei wird jeweils die Art der wechselwirkenden Teilchen verändert (elektrische Ladung und schwacher Isospin).

Beispielsweise kann sich das Elektron (ein negativ geladenes Lepton) durch Emission eines W⁻-Bosons in das zugehörige, elektrisch neutrale Elektron-Neutrino umwandeln.

Bei den Quarks vermitteln die W-Bosonen die Umwandlung verschiedener Flavours ineinander. Ein solcher Prozess findet beispielsweise beim radioaktiven Beta-Zerfall statt, bei dem in einem Neutron des Atomkerns ein Down-Quark (Ladung $-1/3\,e$ ) in ein Up-Quark (Ladung $+2/3\,e$ ) umgewandelt wird. Dadurch wird das Neutron zu einem Proton und die Kernladungszahl nimmt um eins zu. Das bei diesem Prozess abgestrahlte W-Boson ist – in Übereinstimmung mit der Ladungserhaltung – einfach negativ geladen ( $-1\,e$ ), also ein W⁻-Boson.

Da es sich beim W-Boson in diesem Fall um ein virtuelles Teilchen handelt, kann es selbst nicht beobachtet werden, sondern nur seine Zerfallsprodukte, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino. Während von Neutrinos nur ein geringer Anteil und der auch nur mit großem Aufwand detektierbar ist, machen sich die Elektronen als ionisierende $\beta$ -Strahlung bemerkbar.

Die schwache Wechselwirkung wird auch vom Z-Boson vermittelt, das jedoch nicht elektrisch geladen ist. Da Flavour Changing Neutral Currents (kurz FCNC) im Standardmodell der Teilchenphysik nicht als elementare Wechselwirkung existieren, könnte das Z-Boson selbst dann nicht zur Umwandlung von Quarks beitragen, wenn damit keine Ladungsänderung verbunden wäre.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de