Bozony W i Z to grupa cząstek elementarnych. Są one bozonami, co oznacza, że mają spin równy 1 (są bozonami wektorowymi). Zostały odkryte w eksperymentach w 1983 roku i razem są odpowiedzialne za siłę znaną jako "słaba siła". Słaba siła nazywana jest słabą, ponieważ nie jest tak silna jak siła silna. Istnieją dwa bozony W o różnych ładunkach, zwykły W+ i jego antycząstka, W -. Bozony Z są swoimi własnymi antycząstkami (są neutralne).

Właściwości podstawowe

  • Spin: 1 (wektorowe).
  • Ładunek: W+ ma ładunek elektryczny +1e, W - ma −1e, Z jest neutralny.
  • Masy: m(W) ≈ 80,4 GeV/c², m(Z) ≈ 91,2 GeV/c². Duże masy tych bozonów wyjaśniają krótki zasięg oddziaływań słabych.
  • Czas życia i zasięg: bardzo krótki czas życia rzędu 10^−25–10^−24 s, zasięg oddziaływania około 10^−18 m.

Rola w oddziaływaniach słabych

Bozony W i Z przenoszą oddziaływania słabe. W praktyce oznacza to, że to dzięki nim zachodzą procesy zmiany smaku i ładunku cząstek, np. przemiany jednego rodzaju kwarka w inny oraz przemiany między leptami. Wprowadza się rozróżnienie:

  • Oddziaływania naładowane (mediowane przez W±): prowadzą do zmiany ładunku elektrycznego i często zmiany smaku (np. rozpad β−: neutron → proton + e− + ν̄_e odbywa się przez emisję W−, który potem rozpada się na elektron i antyneutrino).
  • Oddziaływania neutralne (mediowane przez Z): nie zmieniają ładunku elektrycznego; Z może oddziaływać z neutrino lub z naładowanymi fermionami bez zmiany ich typu (neutralne prądy słabe).

Cechy szczególne oddziaływań słabych

  • Łamanie parzystości: oddziaływanie słabe silnie preferuje fermiony lewoskrętne (i antyfermiony prawoskrętne), co prowadzi do obserwowalnego łamania symetrii parzystości.
  • Mieszanie kwarków: procesy z udziałem W± są opisywane macierzą CKM (dla kwarków), co umożliwia przejścia między generacjami.

Elektrosłaba unifikacja i mechanizm Higgsa

Bozony W i Z są nośnikami oddziaływania elektrosłabego wynikającego z symetrii gauge SU(2)_L × U(1)_Y. Po złamaniu tej symetrii przez mechanizm Higgsa trzy z bosonów gauge stają się masywne (W+, W− i Z), a jeden pozostaje bezmasowy (fotony). To właśnie oddziaływanie z polem Higgsa nadaje bozonowi W i Z dużą masę; obserwacja bozonu Higgsa w 2012 roku potwierdziła ten mechanizm.

Odkrycie i obserwacja

Bozony W i Z zostały zaobserwowane eksperymentalnie w 1983 roku w zderzeniach w akceleratorze CERN (eksperymenty UA1 i UA2). Za kluczowy wkład w odkrycie tych bozonów nagrodzono w 1984 roku Nagrodą Nobla Carlo Rubbia i Simona van der Meer. Współczesne detektory identyfikują W i Z po ich produktach rozpadu: dla W charakterystyczne są wysoki energia leptonu + brak energii (neutrino), dla Z para leptonów o sumarycznej masie bliskiej masie Z.

Przykłady procesów z udziałem W i Z

  • Rozpad β−: n → p + e− + ν̄_e (mediowany przez W−).
  • Reakcje neutrinowe: ν_e + n → p + e− (przez W+), lub ν_μ + e− → ν_μ + e− (przez Z, neutralny prąd).
  • Rozpad bozonów: W → lν lub q q′, Z → l+l− lub q q̄ (l — lepton, q — kwark).

Podsumowując: bozony W i Z są kluczowymi nośnikami oddziaływania słabego, odpowiadającymi za procesy zmiany ładunku i smaku cząstek, krótkiego zasięgu i specyficznych własności symetrii (m.in. łamanie parzystości). Ich duże masy i rola w modelu elektrosłabym są ściśle powiązane z mechanizmem Higgsa.