W en Z bosonen | groep elementaire deeltjes

Naamgeving

W-bosonen zijn genoemd naar de zwakke kracht waarvoor zij verantwoordelijk zijn. De zwakke kracht is volgens natuurkundigen verantwoordelijk voor de afbraak van sommige radioactieve elementen, in de vorm van bètaverval. Eind jaren '70 slaagden wetenschappers erin vroege versies van de zwakke kracht te combineren met elektromagnetisme, en noemden dit de elektrozwakke kracht.

 

Creatie van W- en Z-bosonen

Van W- en Z-bosonen is alleen bekend dat ze ontstaan door bètaverval, een vorm van radioactief verval.

Bètaverval

Bètaverval treedt op wanneer een atoom veel neutronen bevat. Een vereenvoudigd schema laat zien dat een neutron overeenkomt met één proton en één elektron. Wanneer er te veel neutronen in een atoomkern zijn, zal één neutron zich splitsen en een proton en een elektron vormen. Het proton blijft waar het is, en het elektron wordt uit het atoom gelanceerd. De resulterende bètastraling is schadelijk voor de mens.

Men denkt dat de zwakke kracht de smaak van een quark kan veranderen. Wanneer zij bijvoorbeeld een quark naar beneden in een quark naar boven verandert, wordt de lading van het neutron +1, aangezien het dezelfde rangschikking van quarks zou hebben als een proton. Het neutron met drie quarks en een lading van +1 is hierna geen neutron meer, want het voldoet aan alle voorwaarden om een proton te zijn. Daarom zal door bètaverval een neutron een proton worden (samen met enkele andere eindproducten).

W boson verval

Wanneer een quark van smaak verandert, zoals in het bètaverval, komt er een W-boson vrij. Gemiddeld gaan W-bosonen maar 3x10^-25 seconden mee voordat ze zelf vervallen in andere deeltjes, en daarom hadden we ze nog geen halve eeuw geleden ontdekt. Verrassend genoeg hebben W-bosonen een massa van ongeveer 80 keer die van een proton. Vergeet niet dat het neutron waaruit het afkomstig is, bijna hetzelfde gewicht heeft als het proton. In de kwantumwereld is het niet ongewoon dat een massiever deeltje voortkomt uit een minder massief deeltje; de extra massa komt van opgeslagen energie via Einsteins beroemde formule, E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}}. . Nadat de 3x10^-25 seconden zijn verstreken, vervalt een W-boson in één elektron en één neutrino. Aangezien neutrino's zelden interageren met materie, kunnen we ze vanaf nu negeren. Het elektron wordt met hoge snelheid uit het atoom gestuwd. Het proton dat door het bètaverval is ontstaan, blijft in de atoomkern en verhoogt het atoomnummer met één.

verval van het Z-boson

Z-bosonen worden ook voorspeld in het Standaard Model van de fysica, dat met succes het bestaan van W-bosonen voorspelde. Z-bosonen vervallen in een fermion en zijn antideeltje, dat zijn deeltjes zoals elektronen en quarks die een spin hebben in eenheden van de helft van de gereduceerde planeconstante.

 
Dit is een diagram van het bètaverval. "udd" en "n" verwijzen naar een neutron, bestaande uit één omhoog-quark en twee omlaag-quarks. "udu" en "p" verwijzen naar een proton, dat bestaat uit twee up quarks en één down quark. W– verwijst naar een W– boson, dat vervalt in een e– (elektron) en een ve met een streep erover (een elektron-antineutrino). "t" verwijst naar tijd.