Bosoni W e Z

Denominazione

I bosoni W prendono il nome dalla forza debole di cui sono responsabili. La forza debole è ciò che i fisici credono sia responsabile della rottura di alcuni elementi radioattivi, sotto forma di decadimento Beta. Alla fine degli anni '70, gli scienziati riuscirono a combinare le prime versioni della forza debole con l'elettromagnetismo, e la chiamarono forza elettrodebole.

Creazione di bosoni W e Z

I bosoni W e Z sono noti per essere creati solo con il decadimento Beta, che è una forma di decadimento radioattivo.

Decadimento beta

Il decadimento beta avviene quando ci sono molti neutroni in un atomo. Un modo semplice per pensare a un neutrone è che è fatto di un protone e un elettrone. Quando ci sono troppi neutroni in un nucleo atomico, un neutrone si dividerà e formerà un protone e un elettrone. Il protone rimarrà dov'è, e l'elettrone sarà lanciato fuori dall'atomo a velocità incredibile. Questo è il motivo per cui la radiazione Beta è dannosa per gli esseri umani.

Il modello di cui sopra non è del tutto accurato, poiché sia i protoni che i neutroni sono fatti ciascuno di tre quark, che sono particelle elementari. Un protone è fatto di due quark up (+2/3 di carica) e un quark down (-1/3 di carica). Un neutrone è composto da un quark up e due quark down. Per questo motivo, il protone ha +1 carica e il neutrone 0 cariche.

Si ritiene che la forza debole sia in grado di cambiare il sapore di un quark. Per esempio, quando cambia un quark down in un neutrone in un quark up, la carica del neutrone diventa +1, poiché avrebbe la stessa disposizione dei quark di un protone. Il neutrone a tre quark con una carica di +1 non è più un neutrone dopo questo, poiché soddisfa tutti i requisiti per essere un protone. Pertanto, il decadimento Beta farà sì che un neutrone diventi un protone (insieme ad altri prodotti finali).

Decadimento del bosone W

Quando un quark cambia sapore, come nel decadimento Beta, rilascia un bosone W. In media, i bosoni W durano solo 3x10-25 secondi prima di decadere essi stessi in altre particelle, ed è per questo che non li abbiamo scoperti fino a meno di mezzo secolo fa. Sorprendentemente, i bosoni W hanno una massa di circa 80 volte quella di un protone. Tenete presente che il neutrone da cui proviene ha quasi lo stesso peso del protone. Nel mondo quantistico, non è raro che una particella più massiccia derivi da una particella meno massiccia; la massa extra deriva dall'energia immagazzinata tramite la famosa formula di Einstein, E = m c 2 {displaystyle E=mc^{2}} . Dopo che sono passati 3x10-25 secondi, un bosone W decade in un elettrone e un neutrino. Poiché i neutrini interagiscono raramente con la materia, possiamo ignorarli d'ora in poi. L'elettrone viene spinto fuori dall'atomo ad alta velocità. Il protone prodotto dal decadimento Beta rimane nel nucleo dell'atomo e aumenta il numero atomico di uno.

Decadimento del bosone Z

I bosoni Z sono anche previsti nel Modello Standard della fisica, che ha previsto con successo l'esistenza dei bosoni W. I bosoni Z decadono in un fermione e nella sua antiparticella, che sono particelle come elettroni e quark che hanno spin in unità della metà della costante di plank ridotta.

Questo è un diagramma del decadimento beta. "udd" e "n" si riferiscono a un neutrone, composto da un quark up e due quark down. "udu" e "p" si riferiscono a un protone, composto da due quark up e un quark down. W- si riferisce a un bosone W-, che decade in un e- (elettrone) e un ve con una linea sopra (un elettrone antineutrino). "T si riferisce al tempo.