W- och Z-bosoner är en grupp elementarpartiklar. De är bosoner, vilket innebär att de har ett spinn på 1. Båda upptäcktes i experiment 1983 vid CERN (experimenten UA1 och UA2). Tillsammans medierar de den svaga kraften, en av naturens fyra fundamentala krafter. Den svaga kraften kallas "svag" därför att den är betydligt kortare räckvidd och svagare än till exempel den starka kärnkraften. Det finns två W-bosoner med olika elektriska laddningar, W+ och dess antipartikel W–. Z-bosonen är elektriskt neutral och är sin egen antipartikel.

Egenskaper och viktiga tal

  • Spinn: 1 (vektorbosoner).
  • Massor: W-bosonen har en massa på ungefär 80,4 GeV/c² och Z-bosonen cirka 91,2 GeV/c². De höga massorna förklarar varför den svaga kraften har mycket kort räckvidd.
  • Livslängd: De är extremt kortlivade, med typiska livslängder i storleksordningen 10−25 sekunder innan de sönderfaller till lättare partiklar.
  • Räckvidd: På grund av sin massa verkar den svaga kraften endast över mycket korta avstånd, ungefär 10−18 meter.

Hur W- och Z-bosonerna verkar

W-bosonerna står för de laddade currents (charged-current) växelverkanerna: de byter elektrisk laddning mellan fermioner. Ett välkänt exempel är betasönderfall i atomkärnor: en neutron omvandlas till en proton genom att en d-kvark blir en u-kvark via utsändning av en W−, som snabbt sönderfaller till ett elektron och ett antineutrino. Z-bosonen medierar neutrala växelverkaner (neutral current) där partiklar växelverkar utan att byta elektrisk laddning.

Teoretisk betydelse

W- och Z-bosonerna ingår i den elektrosvaga teorin (Glashow–Salam–Weinberg), som förenar elektromagnetism och den svaga växelverkan till en gemensam modell. Deras massor förklaras genom Higgsmekanismen: växelverkan med Higgsfältet ger W- och Z-bosonerna massor samtidigt som fotonen förblir masslös.

Observation och mätningar

Upptäckten av W- och Z-bosonerna 1983 var en milstolpe för standardmodellen. Sedan dess har deras egenskaper noggrant mätts i partikelacceleratorer (bl.a. CERN och senare vid LEP, Tevatron och LHC). Precisionmätningar av deras massor, levnadstid och växelverkansstyrkor är viktiga för att testa standardmodellens konsekvens och leta efter tecken på ny fysik.

Särskilda egenskaper och konsekvenser

  • Paritetsbrott: Den svaga växelverkan bryter paritetsymmetri maximalt — den skiljer mellan vänster- och högerhandade fermioner och verkar i första hand på vänsterhandskomponenter.
  • Roll i kosmologi och astrofysik: Svaga processer med W- och Z-bosoner påverkar till exempel nukleosyntes i stjärnor och neutrinointeraktioner i supernovor.
  • Forskningsverktyg: W- och Z-bosoner produceras och studeras i kolliderande strålar för att söka efter avvikelser från standardmodellen och för att kalibrera detektorer.

Sammanfattningsvis är W- och Z-bosonerna centrala bärare av den svaga kraften och avgörande för många processer i mikrokosmos — från atomkärnors betasönderfall till tester av standardmodellen i storskaliga partikelexperiment.