בוזוני W ו-Z

בוזוני W ו-Z הם חלקיקים יסודיים שנושאים את הכוח החלש. בוזון הוא סוג של חלקיק שמעביר כוחות בין חלקיקים אחרים.

יש שני סוגים של בוזוני W: אחד במטען +1 ואחד במטען -1. ה-W+ הוא האנטי‑חלקיק של ה-W−. בוזון Z ניטרלי מבחינה חשמלית והאנטי‑חלקיק שלו הוא הוא עצמו. אורך החיים של שלושת הבוזונים קצר מאוד.

הם כבדים יחסית: מסתם של ה-W וה-Z הוא כ‑80.4 ו‑91.2 GeV/c2, בהתאמה. יחידת GeV/c2 היא דרך למדוד מסה בחלקיקים. המסה שלהם גדולה בכ‑פי 100 מזו של הפרוטון, ולכן היא קובעת שהטווח של הכוח החלש קצר. לעומת זאת, לפוטון, נשא הכוח של האלקטרומגנטיות, אין מסה, ולכן הטווח שלו אינסופי.

בוזוני W ו‑Z מעורבים בתהליכים שבהם סוג חלקיק אחד משתנה לסוג אחר, למשל בהתפרקות בטא (beta decay). בדוגמת קובלט‑60, נייטרון בתוך גרעין הופך לפרוטון ולוקח חלק בלפלטת אלקטרון ואנטי‑נייטרינו. ברמה של קווארקים (החלקיקים שמרכיבים נייטרון ופרוטון), קווארק "למטה" (d) הופך ל"למעלה" (u) בעזרת זירוז של W−. לאחר מכן ה-W− מתפרק לאלקטרון ואנטי‑נייטרינו.

בוזון Z מעביר את ה"זרם הנייטרלי" (weak neutral current): הוא מעביר תנע בלי לשנות את סוג החלקיקים המעורבים. צפייה באינטראקציות כאלה קשה ודורשת מאיצים חזקים וחיישנים רגישים.

התאוריה המאוחדת של הכוח האלקטרומגנטי והכוח החלש נוסחה ב‑1968 על ידי שלדון גלאשו, סטיבן ויינברג ועבדוס סלאם. הם חזו את קיום בוזוני W ואת קיום בוזון Z חדש. בעיית מרכזית בתיאוריה היא שבתורות הכיול (התיאור המתמטי של הכוחות) בוזונים אמורים להיות חסרי מסה. כדי לתת להם מסה נדרשה שבירה של הסימטריה; ההסבר המוכר לכך הוא מנגנון היגס (Higgs). מנגנון זה גם צפה חלקיק נוסף, בוזון היגס, שהתגלה ב‑2012.

העדויות לזרם הנייטרלי הופיעו כבר ב‑1973 בניסויים. גילוי ישיר של בוזוני W ו‑Z חיכה לבניית מאיץ חזק. ב‑1983, בניסויים ב‑SPS ב‑CERN (הניסויים הראשונים היו UA1 ו‑UA2), אותות הבוזונים נצפו בפעם הראשונה. על הגילוי קיבלו קרלו רוביה וסימון ואן דר מיר את פרס נובל לפיזיקה ב‑1984.

בוזוני W ו‑Z הם חלקיקים שמביאים את הכוח החלש. בוזון הוא חלקיק שמעביר כוח.

יש שני W שונים: אחד עם מטען חשמלי חיובי (+) ואחד שלילי (−). ה‑Z אינו חשמלי. הבוזונים האלה חיים זמן קצר מאוד. הם כבדים מאוד. המסה שלהם גדולה הרבה יותר מזו של הפרוטון.

הכוח החלש משנה סוגי חלקיקים לפעמים. בדוגמה פשוטה, נייטרון בתוך גרעין יכול להפוך לפרוטון. בזמן הזה הוא גם מפיל אלקטרון וחלק קטן שנקרא אנטי‑נייטרינו. השינוי הזה קורה כי קווארק אחד בתוך הנייטרון משתנה, והדבר נעשה באמצעות בוזון W. ה‑Z יכול להעביר תנועה בלי לשנות את סוג החלקיקים.

מדענים בשנות ה־60 חישבו שיש את הבוזונים האלה. הם גם חשבו שיש דרך לתת להם מסה, שנקראת מנגנון היגס. בוזון היגס התגלה רק ב‑2012.

החלקיקים האלה התגלו בניסויים ב‑CERN ב‑1983. כדי לראות אותם בניינים מכונות גדולות שזורקות חלקיקים במהירות. על הגילוי קיבלו מדענים פרס נובל.