W-Boson

W-Boson
Klassifikation
Elementarteilchen Boson Eichboson
Eigenschaften [1]
Ladung	≈ ±1,6 × 10-19  C
Masse	80 399 ± 23 MeV/c2
Spin	1
mittlere Lebensdauer	3 · 10−25 s
Zerfallsbreite	2 085 ± 42 MeV
Wechselwirkung	schwach elektromagnetisch Gravitation

Das W-Boson ist ein Eichboson und damit ein Elementarteilchen. Es vermittelt ebenso wie das mit ihm verwandte Z-Boson die schwache Wechselwirkung, eine der fundamentalen Grundkräfte der Physik. Während das Z-Boson elektrisch neutral ist, trägt das W-Boson jedoch eine elektrische Ladung, man unterscheidet daher $W\!\,^+$ und $W\!\,^-$. Das W-Boson ist verantwortlich für die sogenannten geladenen Ströme der schwachen Wechselwirkung.

Eigenschaften

Da das W-Boson mit seiner rund 80-fachen Protonenmasse recht schwer ist, ist seine Reichweite und damit auch die der schwachen Wechselwirkung sehr kurz (zirka 10⁻¹⁸ m). Zu vielen Prozessen trägt es nur als virtuelles Teilchen bei, in Form von Schleifen in Feynmandiagrammen. Die ungleich höhere Masse des W-Bosons gegenüber seiner Zerfallsprodukte wird dabei vorübergehend aus dem Vakuum bezogen, in das diese nach seinem Zerfall wieder verschwinden (siehe Vakuumfluktuation).

Als reales Teilchen kann das W-Boson an Teilchenbeschleunigern durch Paarbildung erzeugt werden, z. B. über die Reaktion e⁺ e⁻ → W⁺ W⁻. Die so erzeugten W-Bosonen sind äußerst kurzlebige Teilchen (Zerfallsbreite 2,085 ± 0,042 GeV, dies entspricht einer Lebensdauer von 3 · 10⁻²⁵ s), die zu etwa 33% in Leptonen und zu 68% Hadronen zerfallen und über diese Zerfallsprodukte nachgewiesen werden. Experimentell nachgewiesen wurde das W-Boson zuerst im Januar 1983 durch UA1 und UA2 am CERN.

Vermittlung der Wechselwirkung

W-Bosonen können die schwache Wechselwirkung sowohl zwischen Leptonen als auch zwischen Quarks vermitteln. Dabei wird jeweils die Art der wechselwirkenden Teilchen verändert (elektrische Ladung und schwacher Isospin).

Beispielsweise kann sich das Elektron (ein negativ geladenes Lepton) durch Emission eines W^--Bosons in das zugehörige, elektrisch neutrale Elektron-Neutrino umwandeln.

Bei den Quarks vermitteln die W-Bosonen die Umwandlung verschiedener Flavours ineinander. Ein solcher Prozess findet beispielsweise beim radioaktiven Beta-Zerfall statt, bei dem in einem Neutron des Atomkerns ein Down-Quark (Ladung $-1/3\, e$) in ein Up-Quark (Ladung $+ 2/3\, e$) umgewandelt wird. Dadurch wird das Neutron zu einem Proton und die Kernladungszahl nimmt um eins zu. Das bei diesem Prozess abgestrahlte W-Boson ist – in Übereinstimmung mit der Ladungserhaltung – einfach negativ geladen ($-1\, e$), also ein W⁻-Boson.

Da es sich beim W-Boson in diesem Fall um ein virtuelles Teilchen handelt, kann es selbst nicht beobachtet werden, sondern nur seine Zerfallsprodukte, ein Elektron und ein Anti-Elektronneutrino. Während von Neutrinos nur Bruchteile mit großen Aufwand detektierbar sind, machen sich die Elektronen als radioaktive β-Strahlung bemerkbar.

Die schwache Wechselwirkung wird auch vom Z-Boson vermittelt, das jedoch nicht elektrisch geladen ist. Da Flavor Changing Neutral Currents (kurz FCNC) nicht existieren, könnte das Z-Boson selbst dann nicht zur Umwandlung von Quarks beitragen, wenn damit keine Ladungsänderung verbunden wäre.

Literatur

• Bogdan Povh, K. Rith, C. Scholz, F. Zetsche: Teilchen und Kerne: Eine Einführung in die physikalischen Konzepte. 6. Auflage. Springer-Verlag, 2004. ISBN 3-540-21065-2.

Weblinks

 Wiktionary: W-Boson – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Was sind W&Z-Bosonen? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri
• Particle Data Group 2010, Review 2011
• Particle Data Group - Particle Listings - W-Boson

Einzelnachweise

1. ↑ Die Angaben über die Teilcheneigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, entnommen aus: K. Nakamura et al. (Particle Data Group): Review of Particle Physics. In: Journal of Physics G 37 (2010) 075021 (online).