Bosons W i Z

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.

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

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:

${\hbox{d}}\to {\hbox{u}}+{\hbox{W}}^{-}\,$

la qual cosa se segueix immediatament per la desintegració del W⁻ per si mateix:

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

I és la seva pròpia antipartícula: el bosó Z té tots els nombres quàntics iguals a zero. L'intercanvi d'un bosó Z, anomenat també corrent neutre, permet, per tant, la interacció de partícules que no resulten afectades, excepte en el seu moment. Al contrari de la desintegració beta, l'observació de la interacció del corrent neutre necessita més inversions en acceleradors de partícules, per la qual cosa només s'ha pogut verificar en uns pocs laboratoris de física de les altes energies en tot el món.

Predicció de les partícules W i Z

Un diagrama de Feynman mostrant l'intercanvi d'un parell de bosons W. Aquesta és una de les principals contribucions a l'oscil·lació del kaó neutre

Després de l'èxit espectacular de l'electrodinàmica quàntica en els anys de la dècada de 1950, es va intentar formular una teoria similar per a la força nuclear feble. Això es va poder culminar al voltant del 1968 en una teoria unificada de l'electromagnetisme i les interaccions febles per Sheldon Glashow, Steven Weinberg, i Abdus Salam, per la qual cosa compartiren el Premi Nobel de Física del 1979 Arxivat 2004-08-03 a Wayback Machine.. La seva teoria electrofeble postulava no sols els bosons W necessaris per a explicar la desintegració beta, també un nou bosó Z que no havia estat mai observat.

El fet que els bosons W i Z tenen massa mentre que el fotó no en té fou un gran obstacle en el desenvolupament de la teoria electrofeble. Aquestes partícules es descriuen acuradament amb una teoria gauge SU(2), però els bosons en una teoria gauge no poden tenir massa. Per exemple, és el cas del fotó, sense massa perquè l'electromagnetisme és descrit per una teoria gauge U(1). Alguns mecanismes permeten rompre la simetria de la SU(2), donant massa a W i Z. Una explicació, el mecanisme de Higgs, fou avançada per Peter Higgs en els darrers anys de la dècada de 1960. Aquest mecanisme prediu també l'existència d'una altra nova partícula, el bosó de Higgs.

La combinació de la teoria gauge SU(2) de la interacció feble, la interacció electromagnètica, i el mecanisme de Higgs és conegut com a model de Glashow-Weinberg-Salam. Avui aquesta teoria és àmpliament acceptada com un dels pilars del model estàndard de la física de partícules. Malgrat la intensa cerca del bosó de Higgs en el 2006 duita a terme pel CERN i el Fermilab, la seva existència es manté com la principal predicció del model estàndard que no ha estat confirmada experimentalment.

Descobriment de les partícules W i Z

El descobriment de les partícules W i Z és l'èxit major de la història del CERN. Primerament, en el 1973, es produí l'observació d'interaccions de corrent neutre com s'havia predit per la teoria electrofeble. L'enorme càmera de bombolles Gargamelle va permetre fotografiar la traça d'uns pocs electrons que es movien de sobte, aparentment com si es posassin d'acord. Això s'interpreta com la interacció d'un neutrí amb un electró mitjançant l'intercanvi d'un bosó Z que no es pot veure. El neutrí, per la seva part, tampoc es pot detectar, només es poden observar els efectes en el moment en què es comunica a l'electró en la interacció.

El descobriment de les partícules W i Z, en si mateixes, va haver d'esperar a la construcció d'un accelerador de partícules a bastament potent per produir-les. La primera d'aquestes màquines que restà disponible fou el Sincrotó Super Protó, en què senyals gens ambigus de les partícules W es van poder veure en el gener del 1983 durant una sèrie d'experiments dirigits per Carlo Rubbia i Simon van der Meer. Aquests experiments s'anomenaven UA1 i UA2, i eren l'esforç de col·laboració de molta gent. El mes de maig del 1983 es va trobar el bosó Z. Rubbia i van der Meer foren premiats molt aviat amb el Premi Nobel del 1984 de física, un fet inusual per la conservadora Fundació Nobel.