Z-Boson

Z⁰
Klassifikation
Elementarteilchen Boson Eichboson
Eigenschaften
Ladung	neutral
Masse	(91187,6 ± 2,1) MeV/c²
Spin	1
Zerfallsbreite	(2495,2 ± 2,3) MeV
Wechselwirkungen	schwach Gravitation

Das Z-Boson (Formelzeichen $Z\!\,^{0}$ ) ist ein Eichboson und damit ein Elementarteilchen. Es vermittelt ebenso wie das mit ihm verwandte W-Boson die schwache Wechselwirkung. Während das W-Boson elektrisch geladen ist, ist das Z-Boson neutral. Das Z-Boson ist sein eigenes Antiteilchen. Es ist verantwortlich für die so genannten neutralen Ströme. Diese wurden im Rahmen der Vereinheitlichten Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung in den 1960er Jahren von Sheldon Glashow, Abdus Salam und Steven Weinberg vorausgesagt (die 1979 für diese Theorie den Nobelpreis erhielten) und kurz darauf mit dem Gargamelle-Experiment am CERN bei der elastischen Neutrino-Streuung an Elektronen beobachtet. Der direkte Nachweis des Z-Bosons gelang erst im Jahr 1983, als nach einem Umbau des Super Proton Synchrotrons zu einem Protonen-Antiprotonen-Collider eine ausreichende Schwerpunktsenergie zur Verfügung stand. Zum Nachweis der W- und Z-Bosonen wurden dazu die Detektoren UA1 und UA2 errichtet. Carlo Rubbia und Simon van der Meer erhielten dafür 1984 den Nobelpreis für Physik.

Ähnlich wie das Photon und im Gegensatz zu den verwandten W-Bosonen vermittelt das Z-Boson eine Wechselwirkung zwischen Teilchen, ohne die Teilchenart (genauer: Flavour) dabei zu verändern. Während das Photon aber nur Kräfte zwischen elektrisch geladenen Teilchen vermittelt, wechselwirkt das Z-Boson auch mit den ungeladenen Neutrinos.

Eine Reaktion, bei der das Z-Boson eine wichtige Rolle spielt, ist beispielsweise die folgende Nachweisreaktion für solare Neutrinos, die vom Neutrinotyp unabhängig ist:

${}_{1}^{2}{\mbox{D}}+\nu \;{\overset {{\mbox{Z}}^{0}}{\longrightarrow }}\;{\mbox{n}}+{\mbox{p}}+\nu$

Das Z-Boson überträgt dabei so viel Bewegungsenergie des einfallenden Neutrinos auf einen Deuteriumkern, dass die Bindungsenergie des Kerns überwunden werden kann. Der Deuteriumkern zerfällt dann in ein Proton und ein Neutron. Im Sudbury Neutrino Observatorium wird speziell diese Reaktion zum Nachweis solarer Neutrinos genutzt. Dabei befindet sich in einem großen Wassertank schweres Wasser, in dem viele Deuteriumkerne enthalten sind.

Andere Beispielreaktionen des Z-Bosons sind auch unter elektroschwache Wechselwirkung zu finden.

Das Z-Boson zerfällt mit ca. 70 % bevorzugt in Hadronen, des Weiteren mit etwa 10 % in Paare geladener Leptonen (e⁺e⁻, μ⁺μ⁻ bzw. τ⁺τ⁻) und mit etwa 20 % in Teilchen, die in den Teilchendetektoren von Collider-Experimenten nicht detektiert werden können. Da davon ausgegangen wird, dass diese nicht nachweisbaren Teilchen die leichten Neutrinos sind, erlaubt die genaue Messung der totalen und partiellen Zerfallsbreiten des Z-Bosons auch die Bestimmung der Anzahl der Generationen der leichten Neutrinos. Die Auswertung von aktuellen Experimenten liefert hierbei einen Wert von 2,92 ± 0,05, der gut mit den drei bisher bekannten Neutrinogenerationen übereinstimmt.

Der Physiker Steven Weinberg nannte die zusätzlichen Teilchen Z-Teilchen; Bosonen wurden nach dem indischen Physiker Satyendranath Bose benannt.

Basierend auf einem Artikel in:

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