W- und Z-Bosonen

Benennung

W-Bosonen sind nach der schwachen Kraft benannt, für die sie verantwortlich sind. Physiker glauben, dass die schwache Kraft für den Zerfall einiger radioaktiver Elemente in Form des Beta-Zerfalls verantwortlich ist. In den späten 70er Jahren gelang es Wissenschaftlern, frühe Versionen der schwachen Kraft mit dem Elektromagnetismus zu kombinieren, und nannten sie die elektroschwache Kraft.

Erzeugung von W- und Z-Bosonen

Es ist bekannt, dass W- und Z-Bosonen nur beim Betazerfall, einer Form des radioaktiven Zerfalls, entstehen.

Beta-Zerfall

Betazerfall tritt auf, wenn sich in einem Atom viele Neutronen befinden. Man kann sich ein Neutron leicht so vorstellen, dass es aus einem Proton und einem Elektron besteht. Wenn in einem Atomkern zu viele Neutronen vorhanden sind, spaltet sich ein Neutron und bildet ein Proton und ein Elektron. Das Proton bleibt, wo es ist, und das Elektron wird mit unglaublicher Geschwindigkeit aus dem Atom herausgeschleudert. Aus diesem Grund ist Betastrahlung für den Menschen schädlich.

Das obige Modell ist nicht ganz genau, da sowohl Protonen als auch Neutronen jeweils aus drei Quarks bestehen, die Elementarteilchen sind. Ein Proton besteht aus zwei up-Quarks (+2/3 Ladung) und einem down-Quark (-1/3 Ladung). Ein Neutron setzt sich aus einem up-Quark und zwei down-Quarks zusammen. Aus diesem Grund hat das Proton eine Ladung von +1 und das Neutron eine Ladung von 0.

Es wird angenommen, dass schwache Kraft in der Lage ist, den Geschmack eines Quarks zu verändern. Wenn sie zum Beispiel ein down-Quark in einem Neutron in ein up-Quark verwandelt, wird die Ladung des Neutrons +1, da es die gleiche Anordnung von Quarks wie ein Proton hätte. Das Drei-Quark-Neutron mit einer Ladung von +1 ist danach kein Neutron mehr, da es alle Voraussetzungen erfüllt, um ein Proton zu sein. Daher führt der Betazerfall dazu, dass ein Neutron zu einem Proton wird (zusammen mit einigen anderen Endprodukten).

W-Boson-Zerfall

Wenn ein Quark seinen Geschmack ändert, wie es beim Betazerfall geschieht, setzt es ein W-Boson frei. Im Durchschnitt halten W-Bosonen nur 3x10-25 Sekunden, bevor sie in andere Teilchen zerfallen, weshalb wir sie erst vor weniger als einem halben Jahrhundert entdeckt hatten. Überraschenderweise haben W-Bosonen eine etwa 80-mal größere Masse als ein Proton. Denken Sie daran, dass das Neutron, aus dem es stammt, fast dasselbe Gewicht wie das Proton hat. In der Quantenwelt ist es nicht ungewöhnlich, dass ein massereicheres Teilchen aus einem weniger massereichen Teilchen stammt; die zusätzliche Masse stammt aus gespeicherter Energie über Einsteins berühmte Formel, E = m c 2 {\Darstellungsstil E=mc^{2}}} . Nach Ablauf der 3x10-25 Sekunden zerfällt ein W-Boson in ein Elektron und ein Neutrino. Da Neutrinos selten mit Materie wechselwirken, können wir sie von nun an ignorieren. Das Elektron wird mit hoher Geschwindigkeit aus dem Atom herausgeschleudert. Das Proton, das beim Beta-Zerfall erzeugt wurde, bleibt im Atomkern und erhöht die Ordnungszahl um eins.

Z-Boson-Zerfall

Z-Bosonen werden auch im Standardmodell der Physik vorhergesagt, das erfolgreich die Existenz von W-Bosonen vorhersagte. Z-Bosonen zerfallen in ein Fermion und sein Antiteilchen, das sind Teilchen wie Elektronen und Quarks, deren Spin in Einheiten der halben reduzierten Plankenkonstante liegt.

Dies ist ein Diagramm des Betazerfalls. "udd" und "n" beziehen sich auf ein Neutron, das aus einem up-Quark und zwei down-Quarks besteht. "udu" und "p" beziehen sich auf ein Proton, das sich aus zwei up-Quarks und einem down-Quark zusammensetzt. W- bezieht sich auf ein W--Boson, das in ein e- (Elektron) und ein ve mit einer Linie darüber zerfällt (ein Elektronen-Antineutrino). "t" bezieht sich auf die Zeit.