W- och Z-bosoner – elementarpartiklarna bakom den svaga kraften

W-bosoner har fått sitt namn efter den svaga kraften som de är ansvariga för. Den svaga kraften är det som fysikerna tror är orsaken till att vissa radioaktiva grundämnen bryts ner i form av betasönderfall. I slutet av 70-talet lyckades forskare kombinera tidiga versioner av den svaga kraften med elektromagnetism och kallade det för den elektrosvaga kraften.

W- och Z-bosoner kan endast skapas genom betasönderfall, vilket är en form av radioaktivt sönderfall.

Betaförfall

Betasönderfall sker när det finns många neutroner i en atom. Ett förenklat diagram visar att en neutron motsvarar en proton och en elektron. När det finns för många neutroner i en atomkärna kommer en neutron att dela sig och bilda en proton och en elektron. Protonerna stannar där de är och elektronen skjuts ut ur atomen. Den resulterande betastrålningen är skadlig för människor.

Den svaga kraften tros kunna ändra en kvarks smak. När den till exempel ändrar en nedåtgående kvark i en neutron till en uppåtgående kvark blir neutronens laddning +1, eftersom den skulle ha samma arrangemang av kvarkar som en proton. Neutronen med tre kvarkars laddning +1 är inte längre en neutron efter detta, eftersom den uppfyller alla krav för att vara en proton. Därför kommer betasönderfallet att leda till att en neutron blir en proton (tillsammans med några andra slutprodukter).

W-bosonens sönderfall

När en kvark ändrar smak, vilket den gör vid betasönderfall, frigörs en W-boson. I genomsnitt varar W-bosoner bara i 3x10^-25 sekunder innan de sönderfaller till andra partiklar, vilket är anledningen till att vi inte upptäckte dem förrän för mindre än ett halvt sekel sedan. Överraskande nog har W-bosoner en massa som är ungefär 80 gånger större än en proton. Tänk på att neutronen som den kom från har nästan samma vikt som protonen. I kvantvärlden är det inte ovanligt att en mer massiv partikel kommer från en mindre massiv partikel; den extra massan kommer från lagrad energi via Einsteins berömda formel, E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} . Efter att 3x10^-25 sekunder har passerat sönderfaller en W-boson till en elektron och en neutrino. Eftersom neutriner sällan interagerar med materia kan vi ignorera dem från och med nu. Elektronen skjuts ut ur atomen med hög hastighet. Protonen som bildades vid betasönderfallet stannar kvar i atomkärnan och höjer atomnumret med ett.

Z-bosonens sönderfall

Z-bosoner förutses också i fysikens standardmodell, som framgångsrikt förutsade existensen av W-bosoner. Z-bosoner sönderfaller till en fermion och dess antipartikel, vilket är partiklar som elektroner och kvarkar som har ett spinn i enheter som motsvarar hälften av den reducerade plankkonstanten.