Bozon W

Symbol bozonu W⁺ (tzw. sprężynka) stosowany jako oznaczenie bozonu W na diagramach Feynmana

Bozon W (wuon) – cząstka elementarna pośrednicząca w oddziaływaniach słabych, wymieniana przez elektrony, neutrina i inne cząstki oddziałujące oddziaływaniem słabym podczas zderzeń. Cząstka ta występuje w dwóch podstawowych postaciach: cząstki W⁺ i jej antycząstki W⁻. Obie mają ten sam spin (równy 1) oraz masę, różnią się tylko ładunkiem elektrycznym.

energia spoczynkowa – 80360,2 ± 9,9 MeV

czas połowicznego rozpadu – ok. 3×10⁻²⁵ s

Bozony W przenoszą jeden z ładunków oddziaływania elektrosłabego, jakim jest słaby izospin. Jego wartość wynosi odpowiednio +1 i −1 dla bozonów W⁺ i W⁻. Bozony W są bozonami cechowania i generują podgrupę SU(2) oddziaływania elektrosłabego.

Rozpady radioaktywne

Najważniejszym zjawiskiem z udziałem bozonów W są rozpady beta. W procesie tym kwark dolny (d) zawarty w neutronie rozpada się na kwark górny (u) oraz właśnie bozon W, który z kolei rozpada się na parę: lepton – neutrino dla danego leptonu (dokładniej: W⁻ rozpada się na lepton + antyneutrino a W⁺ na antylepton + neutrino). W miarę wzrostu energii leptonami tymi mogą być: elektron, mion, taon.

Bozony W tworzą się także w rozpadach ciężkich kwarków.

Bozon W⁰

W rzeczywistości istnieje dodatkowy stan bozonu W, jakim jest W⁰. Trójka stanów: [W⁺, W⁰, W⁻] tworzy tryplet ze względu na słaby izospin, podobnie jak np. piony [π⁺, π⁰, π⁻] tworzą tryplet silnego izospinu. Ponieważ bozon W ma 3 stany ze względu na izospin, więc może być nazwany „cząstką wektorową” izospinu. Lewoskrętny elektron i neutrino tworzyłyby razem „spinor”, natomiast cząstki prawoskrętne byłyby „skalarami”.

Z matematycznego punktu widzenia, bozon W⁰ jest superpozycją fotonu i bozonu Z. Gdyby w jakimś procesie powstała zatem cząstka W⁰, to zgodnie z probabilistyczną naturą mechaniki kwantowej istniałoby pewne prawdopodobieństwo zarejestrowania jej jako fotonu i pewne jako bozonu Z. Proporcje „zmieszania” bozonu Z i fotonu w bozonie W⁰ określa tzw. kąt Weinberga. W większości rozważań nie definiuje się bozonu W⁰, do opisu zjawisk wystarczają bozony Z i foton.

Oddziaływanie elektrosłabe i złamanie symetrii

Zupełnie równoważnie można traktować bozon W⁰ jako podstawowy, a foton i bozon Z jako jego superpozycje z bozonem B. Definiowanie bozonu W⁰ i B ma sens, kiedy rozważa się teorie wielkiej unifikacji, gdzie oddziaływanie elektromagnetyczne jest zunifikowane z oddziaływaniem słabym. Istnieje wtedy pierwotne symetryczne oddziaływanie elektrosłabe, niezmiennicze względem grupy cechowania SU(2)×U(1). Oddziaływanie elektromagnetyczne ma wtedy identyczną siłę jak oddziaływanie słabe, dlatego nie ma sensu ich odróżnianie. Nie ma także znaczenia ładunek elektryczny. Rozważania te prowadzi się przy założeniu, że bozony W i B nie mają masy.

Symetrię tę łamie bozon Higgsa, który oddziałuje z bozonami B i W, nadając im masy. Pewna kombinacja liniowa (superpozycja) bozonów W i B oddziałuje wtedy najsłabiej z polem Higgsa, a inna kombinacja – najmocniej. Tę pierwszą nazywa się właśnie fotonem a drugą – bozonem Z. Ze względu na słabe sprzęganie z polem Higgsa foton pozostaje cząstką bezmasową; bozon Z musi mieć wtedy największą możliwą masę z wszystkich kombinacji W i B. Im lżejszy bozon pośredniczący, tym mocniejsze oddziaływanie, które on przenosi, zatem oddziaływanie elektromagnetyczne przenoszone przez foton staje się bardzo silne, a oddziaływanie słabe przenoszone przez bozon Z – bardzo słabe.

Z pierwotnego zunifikowanego oddziaływania elektrosłabego powstają dwa oddziaływania: elektromagnetyczne i słabe. Pozostałość pierwotnej symetrii widać dzięki istnieniu naładowanych bozonów W⁺ i W⁻. Fakt, że jednocześnie przenoszą ładunek elektromagnetyczny i słaby, świadczy o bliskim pokrewieństwie tych oddziaływań.

Zobacz też

• bozon Z (zeton)
• bozony X i Y

Linki zewnętrzne

Nagrania na YouTube [dostęp 2023-05-21]:

• Sabine Hossenfelder, Did the W-boson just „break the Standard Model”? (ang.), kanał autorski, 30 kwietnia 2022;
• Don Lincoln, W boson mass: The hardest measurement (ang.), kanał Fermilabu, 2 maja 2022.