Bosoni W e Z

Bosoni W±e Z
Composizione	Particelle elementari
Famiglia	Bosoni
Gruppo	Bosoni di gauge
Interazioni	Interazione debole
Simbolo	W±eZ0
Teorizzata	Glashow,Weinberg,Salam(1968)
Scoperta	CollaborazioneUA1eUA2,1983
Proprietà fisiche
Massa	W: 80,385±0,015GeV/c2LEP EWWG Home Page Z: 91,1876±0,0021GeV/c2PDGLive Particle Summary
Carica elettrica	W±:±1e Z: 0e
Spin	1

Ibosoni W e Zsono ibosoni di gaugedellainterazione debole.

In quantobosoniconspinpari a 1, appartengono alla classe deibosoni vettori.Vengono definiti anchebosoni vettori intermedieastenoni.

Proprietà

Esistono due tipi di bosone W, uno concarica elettrica+1 e l'altro con carica -1 (in unità di carica elettrica elementare), e sono l'uno l'antiparticelladell'altro. Il bosone Z o (Z⁰) è neutro. Tutti e tre i bosoni sono molto massivi (circa 100 volte più delprotone) e hanno unavita mediabreve (3x10^-25s). La loro massa elevata rende ragione del corto raggio delle interazioni deboli (al contrario, l'interazione elettromagneticaha raggio infinito perché il suo bosone, ovvero ilfotone,è privo dimassa). I tre bosoni hanno tuttispin1.

I bosoni W, Z e l'interazione debole

Ildiagramma di Feynmanper il decadimento beta di un neutrone in un protone, un elettrone e un antineutrino elettronico tramite un bosone W.

I processi mediati da W⁺e W^-si dicono processi di corrente dicarica debolein quanto i bosoni possono aumentare o diminuire di un'unità lacarica elettricadella particella generata dal processo rispetto a quella della particella iniziale. Essi possono inoltre cambiare ilsaporedelle particelle coinvolte. I processi in cui interviene Z sono detti processi dicorrente debole neutrae non implicano né un cambiamento dicarica elettricané disapore. Il bosone W è maggiormente conosciuto per il suo ruolo nelle reazioni nucleari, che avvengono tramitedecadimento betadeineutronidelnucleo atomico,per il quale unneutroneè convertito in unprotonecon l'emissione di unelettrone(che in questo contesto è dettoparticella β) e unantineutrino:

${\hbox{n}}\to {\hbox{p}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}$

Il neutrone e il protone non sono particelle fondamentali, bensì composte da trequark;in particolare, il neutrone è formato da duequark downe unquark up(ddu) e il protone da due quark up e un quark down (uud). A questo livello, il decadimento beta è dato dunque da un quark d che cambia sapore e diventa un quark u, con l'emissione di un W^-:

${\hbox{d}}\to {\hbox{u}}+{\hbox{W}}^{-}$

il quale a sua volta decade immediatamente in un elettrone e un antineutrino elettronico:

${\hbox{W}}^{-}\to {\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}$

I processi che coinvolgono Z, lasciando inalterata la carica e il sapore delle particelle, sono di più difficile osservazione e richiedono l'utilizzo diacceleratori di particellee sofisticatirivelatori.La prima evidenza di processi di corrente neutra, ottenuta nellacamera a bolleGargamellealCERNnel1973,segue di quarant'anni le teorie sul decadimento beta.

Predizione teorica dei bosoni W e Z

L'introduzione dei bosoni W e Z nelle teorie fisiche discende dal tentativo di costruire un modello per descrivere l'interazione debole che fosse simile all'efficace teoria dell'elettrodinamica quantistica(sviluppata negli anni cinquanta delNovecentoper la descrizione dei processi elettromagnetici coerente con lameccanica quantistica) e che si riconducesse allateoria di Fermi dell'interazione debole.Il culmine di questo sforzo si ebbe alla fine degli anni sessanta, quandoSheldon Glashow,Steven WeinbergeAbdus Salamproposero lateoria elettrodebole,che vede unificate in un'unica interazione laforza debolee quellaelettromagnetica.Tale teoria, oltre a prevedere i bosoni W per mediare il decadimento beta, postulava un secondo bosone vettore, il bosone Z. I risultati del rivelatore Gargamelle al CERN furono la prima valida conferma della teoria elettrodebole.

Il fatto che i bosoni W e Z siano molto massivi fu uno dei principali ostacoli allo sviluppo della teoria elettrodebole. Essa infatti è unateoria di gaugeSU(2)$\otimes$U(1),ma nelle teorie di gauge i bosoni sono senza massa, come accade per ilfotonenell'elettrodinamica quantistica, descritta da una teoria di gaugeU(1).Il modo in cui si genera una massa senza rinunciare allasimmetria di gaugedella teoria è dettorottura spontanea di simmetriae la più accreditata spiegazione di questo processo è ilmeccanismo di Higgs.Tale meccanismo prevede l'esistenza di un'ulteriore particella, ilbosone di Higgs.

La combinazione della teoria di gauge SU(2)$\otimes$U(1) per l'interazione elettrodebole e del meccanismo di Higgs è nota come modello di Glashow-Weinberg-Salam. Per questo lavoro, i tre fisici vinsero ilPremio Nobel per la fisicanel1979e tale modello costituisce attualmente uno dei pilastri delModello Standard.

Interazione del bosone di Higgs

Consideriamo il gruppo di simmetria introdotto daGlashow:$SU_{L}(2)\times U_{Y}(1)$.

Per effettuare una trasformazione di fase locale di tale gruppo, introduciamo una opportunaderivata covariante:

$\partial _{\mu }\to D_{\mu }=\partial _{\mu }-ig\sum _{a=1}^{3}\tau ^{a}{\vec {W}}_{\mu }^{a}-i{\frac {g'}{2}}YB_{\mu }$

Applichiamo semplicemente questa derivata al campo di Higgs definito come:

$\phi (x)=\left({\begin{array}{cc}H^{0}\\H^{-}\end{array}}\right)$

$D_{\mu }\phi (x)=\left[\partial _{\mu }-ig\sum _{a=1}^{3}\tau ^{a}{\vec {W}}_{\mu }^{a}-i{\frac {g'}{2}}YB_{\mu }\right]\phi (x)$

Dove$\tau ^{a}$sono lematrici di Pauli,avendo definito igeneratori del gruppocome

$[{\vec {G}}]=\left[{\frac {\vec {\tau }}{2}};{\frac {1}{2}}\right]$

Questo comporta larottura spontanea di simmetriadi tutti e quattro i generatori del campo del vuoto:

$G^{i}\phi _{VAC}(x)\neq \left(\phi _{VAC}'(x)\right)\qquad i=1...4$

Vogliamo invece che uno dei generatori non acquisti massa, quindi dobbiamo imporre che almeno uno dei generatori tra i quattro verifichi:

$G'\phi _{VAC}(x)=\left(\phi _{VAC}'(x)\right)$

quindi

$G'={\frac {1}{2}}\left({\begin{array}{cc}1&0\\0&0\end{array}}\right)={\frac {1}{2}}(1+\tau ^{3})={\frac {1}{2}}H_{W}+I_{W}^{3}$

Avendo così ridefinito uno dei generatori, dobbiamo ridefinire anche le derivate covarianti e i parametri liberi g e g'. Lo facciamo introducendo un nuovo parametro:$\theta _{W}$,l'angolo di Weinberg.

I nuovi parametri saranno:

$g\sin \theta _{W}=g'\cos \theta _{W}\quad \tan \theta _{W}={\frac {g'}{g}}$

Effettuiamo quindi una rotazione unitaria dei campi$W_{\mu }^{3}$e$B_{\mu }$in modo tale da ottenere che il bosone vettore che moltiplica il nuovo generatore${\frac {1}{2}}(1+\tau ^{3})$,corrisponda proprio al fotone$A_{\mu }$.

$B_{\mu }=\cos \theta _{W}A_{\mu }+\sin \theta _{W}Z_{\mu }$

$W_{\mu }^{3}=\sin \theta _{W}A_{\mu }-\cos \theta _{W}Z_{\mu }$

Osservazioni dirette

Carlo Rubbia,Premio nobel per la fisica 1984assieme aSimon van der Meerper la rilevazione sperimentale dei bosoni W e Z

L'osservazione diretta dei bosoni W e Z è stata possibile solo in seguito alla costruzione di acceleratori abbastanza potenti da produrre queste particelle così massive. Il primo segnale di W si ebbe nel gennaio del1983grazie all'utilizzo dell'acceleratore SPS (Super Proton Synchrotron) del CERN durante gli esperimentiUA1(guidato daCarlo Rubbia) eUA2,realizzati grazie agli sforzi di una grande collaborazione di scienziati. Pochi mesi più tardi avvenne l'osservazione di Z. Tali risultati sono stati possibili grazie all'introduzione da parte diSimon van der Meerdella tecnica delraffreddamento stocastico.La scoperta fu così sensazionale che Rubbia e van Der Meer furono insigniti del Premio Nobel per la fisica soltanto un anno dopo i loro sforzi, con una tempistica decisamente accelerata rispetto a quelle usuali della Fondazione Nobel.

La successiva costruzione dicollisorielettrone-positronecome ilLarge Electron-Positron Collider(CERN), e lo Stanford Linear Collider (SLAC) e di più potenti collisori protone-antiprotone (comeTevatronalFermilab) alla fine degli anni 1980, in grado di raggiungere energie maggiori rispetto a quelle a disposizione con SPS, ha permesso una più elevata produzione dei bosoni W e Z e dunque uno studio più approfondito delle loro proprietà.

Questi collisori sono stati anche utilizzati, senza successo, per la ricerca di tracce indirette del bosone di Higgs, mentre le tracce di una particella compatibile con tale bosone sono state osservate in esperimenti condotti con il più potenteLarge Hadron Collider(LHC) alCERN.

Un risultato molto importante che si ricava studiando i decadimenti del bosone Z è che esistono solo tre famiglie di neutrini con massa minore di m_Z/2 e perciò molto probabilmente vi sono solo tre famiglie di fermioni fondamentali:

1. elettrone,neutrinoelettronico,quark up,quark down;
2. muone,neutrinomuonico,quark strange,quark charm;
3. tau,neutrinotauonico,quark bottom(o beauty),quark top(o truth).

Bosoni W e supersimmetrie

Un problema relativo ai bosoni W⁺è che, secondo il modello disupersimmetriaSU(5),ad energie di 1TeVun bosone W⁺ha probabilità maggiore di 1 di diffondere un altro bosone W⁺:il che è come dire che, comunque si spari, si farà centro sul bersaglio. Si spera che con l'osservazione delbosone di Higgssi possarinormalizzarela previsione, portando la probabilità a valori minori di 1.

La stessa teoria prevede che ilprotonepossa decadere, trasformandosi in un quark ed in un antiquark e un W⁺,più altre particelle.

Voci correlate

• Bosone di Higgs
• Bosone vettore assiale
• Bosoni X e Y
• Interazione debole

Altri progetti

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• Wikimedia Commons

• Wikimedia Commonscontiene immagini o altri file subosoni W e Z

Collegamenti esterni

• (EN)The Review of Particle Physicsle informazioni più aggiornate sulle proprietà delle particelle.
• (EN)W and Ztra le pagine del CERN