W-Boson

Das W-Boson ist ein Eichboson und damit ein Elementarteilchen. Es ist verantwortlich für die sogenannten „geladenen Ströme“ der schwachen Wechselwirkung, einer der fundamentalen Wechselwirkungen der Physik. Man unterscheidet bei den W-Bosonen je nach elektrischer Ladung zwischen W⁺ und W^-. W-Bosonen koppeln an (d.h. stehen in Wechselwirkung mit) Leptonen und Quarks. Beispielsweise kann sich das Elektron (das leichteste Lepton) durch Emission eines W^--Bosons in das zugehörige, elektrisch neutrale Elektron-Neutrino umwandeln. Bei den Quarks vermitteln die W-Bosonen die Umwandlung verschiedener sog. Quarks-Flavors ineinander. Ein solcher Prozess findet beispielsweise beim radioaktiven Beta-Zerfall statt, bei dem in einem Neutron des Atomkerns ein Down-Quark (Ladung − 1 / 3e) in ein Up-Quark (Ladung + 2 / 3e) umgewandelt wird, wodurch das Neutron zu einem Proton wird und die Kernladungszahl um eins zunimmt. Das bei diesem Prozess abgestrahlte W-Boson ist in diesem Fall - in Übereinstimmung mit der Ladungserhaltung - einfach negativ geladen ( − 1e). Da es sich beim W-Boson in diesem Fall um ein virtuelles Teilchen handelt, kann das W-Boson selbst nicht beobachtet werden, sondern nur seine Zerfallsprodukte, ein Elektron und ein Anti-Elektronneutrino. Während letztere oft undetektiert bleiben, sind es die Elektronen, die die radioaktive β-Strahlung ausmachen.

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Zur schwachen Wechselwirkung gehört auch das Z-Boson. Im Unterschied zum W-Boson ist das Z-Boson nicht elektrisch geladen, weiter kann es auch nicht zur Umwandlung von Quarks beitragen, auch wenn damit keine Ladungsveränderung verbunden wäre (Nichtexistenz von Flavor Changing Neutral Currents).

Da das W-Boson mit seiner rund 80fachen Protonenmasse (80,425 GeV/c² ±0,038 GeV/c²) recht schwer ist, ist seine Reichweite (und damit die der schwachen Wechselwirkung) sehr kurz (ca. 10⁻¹⁵ m). In vielen Prozessen trägt es nur als virtuelles Teilchen bei (in Form von Schleifen in sog. Feynmandiagrammen), es kann aber auch als reales Teilchen erzeugt, und über seine Zerfallsprodukte nachgewiesen werden.

In Teilchenbeschleunigern kann das W-Boson über Paarbildung auch reell erzeugt werden, z.B. über die Reaktion e⁺ e⁻ → W⁺ W⁻. Die so erzeugten W-Bosonen sind äußerst kurzlebige Teilchen (Halbwertsbreite 2,124 ± 0,041 GeV, dies entspricht einer Lebensdauer von 3 · 10⁻²⁵ s), die in Leptonen oder Hadronen zerfallen.

Siehe auch

• Isospin