W-Boson

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W-Boson
Klassifikation
Elementarteilchen Boson Eichboson
Eigenschaften
Ladung	±1 e 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 an (d.h. stehen in Wechselwirkung mit) Leptonen und Quarks. Beispielsweise kann sich das Elektron (ein negativ geladenes Lepton) durch Emission eines W^--Bosons in das zugehörige, elektrisch neutrale Elektron-Neutrino umwandeln. Bei den Quarks vermitteln die W-Bosonen die Umwandlung verschiedener sog. Quarks-Flavours ineinander. 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, wodurch das Neutron zu einem Proton wird und die Kernladungszahl um eins zunimmt. Das bei diesem Prozess abgestrahlte W-Boson ist in diesem Fall - in Übereinstimmung mit der Ladungserhaltung - einfach negativ geladen ( $- 1 e$ ). Da es sich beim W-Boson in diesem Fall um ein virtuelles Teilchen handelt, kann das W-Boson selbst nicht beobachtet werden, sondern nur seine Zerfallsprodukte, ein Elektron und ein Anti-Elektronneutrino. Während letztere oft undetektiert bleiben, sind es die Elektronen, die die radioaktive $β$ -Strahlung ausmachen.

Zur schwachen Wechselwirkung gehört auch das Z-Boson. Im Unterschied zum W-Boson ist das Z-Boson nicht elektrisch geladen, weiter 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. 10⁻¹⁸ m). In vielen Prozessen trägt es nur als virtuelles Teilchen bei (in Form von Schleifen in sog. Feynmandiagrammen).

Als reales Teilchen, über Paarbildung erzeugt werden, und über seine Zerfallsprodukte nachgewiesen, kann das W-Boson mittels Teilchenbeschleunigern. 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 Leptonen oder Hadronen zerfallen.