W-Boson

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W-Boson

Klassifikation

Eigenschaften

Ladung	±1 e = ±1,602 176 53(14) · 10⁻¹⁹ C
Ruheenergie	80 425 ±38 MeV
Spin	1
mittlere Lebensdauer	3 · 10⁻²⁵ s

Das W-Boson ist ein Eichboson und damit ein Elementarteilchen. Es ist verantwortlich für die sogenannten „geladenen Ströme“ der schwachen Wechselwirkung, einer der fundamentalen Wechselwirkungen der Physik. Man unterscheidet bei den W-Bosonen je nach elektrischer Ladung zwischen W⁺ und W^-. W-Bosonen koppeln sowohl an Leptonen als auch an Quarks. So kommt es durch Emission eines W^--Bosons zum Beispiel zur Umwandlung eines Elektrons in das zugehörige, elektrisch neutrale Elektron-Neutrino. Andererseits vermitteln die W-Bosonen die Umwandlung von Quarks verschiedener Flavors ineinander, wobei es auch hier die Differenzladung von einer Elementarladung $e$ davonträgt. 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. Das bei diesem Prozess abgestrahlte W-Boson ist in diesem Fall - in Übereinstimmung mit der Ladungserhaltung - einfach negativ geladen ( $- 1 e$ ), während die Kernladungszahl um eins zunimmt.

Zur schwachen Wechselwirkung gehört auch das Z-Boson. Im Unterschied zum W-Boson ist das Z-Boson nicht elektrisch geladen, weiters kann es auch nicht zur Umwandlung von Quarks beitragen, auch wenn damit keine Ladungsveränderung verbunden wäre (Nichtexistenz von Flavor Changing Neutral Currents).

Da das W-Boson mit seiner rund 80fachen Protonenmasse (80,425 GeV/c² ±0,038 GeV/c²) recht schwer ist, ist seine Reichweite (und damit die der schwachen Wechselwirkung) sehr kurz (ca. 10⁻¹⁵ m). In vielen Prozessen trägt es nur als virtuelles Teilchen bei (in Form von Schleifen in sog. Feynmandiagrammen), es kann aber auch als reales Teilchen erzeugt, und über seine Zerfallsprodukte nachgewiesen werden.

In Teilchenbeschleunigern kann das W-Boson über Paarbildung auch reell erzeugt werden, z.B. über die Reaktion e⁺ e⁻ → W⁺ W⁻. Die so erzeugten W-Bosonen sind äußerst kurzlebige Teilchen (Halbwertsbreite 2,124 ± 0,041 GeV, dies entspricht einer Lebensdauer von 3 · 10⁻²⁵ s), die in Hadronen oder Leptonen zerfallen.