Bosons W i Z

Bosons W i Z

Classificació	bosó gauge, massive quantum particle (en) i Partícula mediadora
Composició	bosó W i bosó Z
Interaccions	força nuclear feble i gravetat
Descoberta	1983
Vida mitjana	0
Càrrega elèctrica	0 i 0
Espín	1

En física, els bosons W i Z són partícules elementals que produeixen la interacció de la força nuclear feble. Van ser descoberts en el CERN, l'any 1983, la qual cosa fou considerada un gran èxit del model estàndard de la física de partícules.

La partícula W va ser anomenada així a causa del nom d'aquesta força en anglès (weak). La partícula Z fou anomenada d'aquesta manera per una broma segons la qual es deia que aquesta era la darrera partícula que es necessitava descobrir. Segons una altra explicació, el nom de la partícula Z deriva del fet de la seva càrrega elèctrica zero.

Propietats bàsiques

Existeixen dues classes de bosons W amb la unitat elemental de càrrega elèctrica +1 i -1; la W⁺ és l'antipartícula de la W⁻. El bosó Z (o Z⁰) és elèctricament neutre i és la seva pròpia antipartícula. Les tres partícules tenen una vida breu amb una vida mitjana d'uns 3 × 10⁻²⁵ segons.

Aquests bosons es consideren pesos pesants entre les partícules elementals. Amb una massa de 80,4 i 91,2 GeV/c², respectivament, les partícules W i Z⁰ són quasi 100 vegades més massives que el protó —més massives que un àtom de ferro. La massa d'aquests bosons és significativa perquè això limita l'abast de la força feble. Per contra, la força electromagnètica té un rang infinit perquè el seu bosó (el fotó) és una partícula sense massa.

Els tres tipus tenen espín 1.

L'emissió dels bosons W⁺ o W^– pot, en els dos casos, augmentar o disminuir la càrrega elèctrica de la partícula que l'emet en 1 unitat, i alterar l'espín en 1 unitat. Al mateix temps, un bosó W pot canviar la generació de la partícula, per exemple canviant un quark de s a u. El bosó Z⁰ no pot canviar ni la càrrega elèctrica ni qualsevol càrrega (estranyesa, encant, etc.), només canvia l'espín i el moment; per tant, no canvia la generació o el sabor de la partícula que l'emet (vegeu corrent feble neutre).

La força nuclear feble

El diagrama de Feynman per la desintegració beta del neutró en un protó, electró, i un antineutrí electrònic per mitjà del bosó W

Els bosons W i Z són partícules portadores que duen la força nuclear feble, de la mateixa manera que el fotó és el portador de la força electromagnètica. El bosó W és més conegut pel seu paper en la desintegració nuclear. Considerem, per exemple, la desintegració beta del cobalt-60, un procés important en l'explosió de les supernovae.

${}_{27}^{60}{\hbox{Co}}\to {}_{28}^{60}{\hbox{Ni}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}$

Aquesta reacció no comporta una transformació del nucli sencer del cobalt-60, només afecta un sol dels seus 33 neutrons. Aquest neutró es convertix en un protó per l'emissió d'un electró (anomenat partícula beta en aquest context) i un antineutrí:

${\hbox{n}}\to {\hbox{p}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}$

El neutró no és una partícula elemental, és una partícula composta per un quark up i dos quarks down (udd). És en efecte un dels quarks down el que actua en la desintegració beta, convertint-se en un quark up, formant, per tant, un protó (uud). En el nivell més fonamental, per tant, la força feble canvia el sabor d'un sol quark: