Quelltext der Seite W-Boson

{{Infobox Teilchen
|klassifikation = [[Elementarteilchen]]<br />[[Boson]]<br />[[Eichboson]]
|hauptquelle = <ref name="PDG" />
|wechselwirkung = [[Schwache Wechselwirkung|schwach]]<br />[[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetisch]]<br />[[Gravitation]]
|ladung_e = -,+
|ruheenergie_mev = 
|ruheenergie_gev = 80,3692(133)
|masse_kg = 1,433&nbsp;·&nbsp;10<sup>−25</sup>
|spinzahl = 1
|lebensdauer_s = 3&nbsp;·&nbsp;10<sup>−25</sup>
|zerfallsbreite_mev = 
|zerfallsbreite_gev = 2,085(42)
}}
Das '''W-Boson''' ist ein [[Eichboson]] und damit ein [[Elementarteilchen]]. Es vermittelt ebenso wie das mit ihm verwandte [[Z-Boson]] die [[schwache Wechselwirkung]], eine der fundamentalen [[Grundkräfte der Physik]]. Während das Z-Boson elektrisch neutral ist, trägt das W-Boson eine [[elektrische Ladung]]; man unterscheidet W<sup>+</sup> und W<sup>−</sup>, sie sind gegenseitig [[Antiteilchen]]. Das W-Boson ist verantwortlich für die [[Schwache Wechselwirkung #Geladene Ströme|geladenen Ströme der schwachen Wechselwirkung]].

In der [[Elektroschwache Wechselwirkung|elektroschwachen Theorie]] treten rechnerisch zunächst vier masselose Eichbosonen auf <math>B^0, W^1, W^2, W^3</math>. Nach einer spontanen Symmetriebrechung ergeben sich daraus letztlich drei massive Eichbosonen Z°, W⁺, W⁻ und das Photon γ.

W-Boson steht für W = ''weak'' (englisch) = ''schwach''<ref name="quigg">{{Literatur |Autor= [[Chris Quigg]] |Titel=Elementary Particles and Forces |Sammelwerk=Scientific American |Band=252 |Nummer=4 |Datum=1985 |Seiten=84–95 |Fundstelle=S. 91 |JSTOR=24967616}}</ref> und [[Boson]] für ein Teilchen mit ganzzahligem Spin. Die W-Bosonen wurden und werden auch intermediäre [[Vektorboson]]en genannt.<ref name="quigg" />

== Eigenschaften ==
[[Datei:Beta Negative Decay.svg|mini|[[Feynman-Diagramm]] für den [[Betastrahlung|Beta-Zerfall]] eines [[Neutron]]s in ein [[Proton]], [[Elektron]] und [[Elektron-Antineutrino]] über ein W-Boson]]
Das W-Boson hat mit über 80&nbsp;GeV/c<sup>2</sup> fast das 86-fache der [[Protonenmasse]], es ist also extrem schwer. Seine [[Zerfallsbreite]] beträgt 2,085&nbsp;±&nbsp;0,042&nbsp;G[[Elektronenvolt|eV]], was einer extrem kurzen [[Lebensdauer (Physik)|Lebensdauer]] von {{ZahlExp|3|-25|post=s}} entspricht. Es zerfällt zu 32 % in [[Lepton]]en und zu 68 % in [[Hadron]]en. Im Gegensatz zum [[Photon]] und dem [[Z-Boson|Z<sup>0</sup>-Boson]] ist es elektrisch geladen und hat, wie diese, den [[Spin]]&nbsp;1. W-Bosonen sind immer [[Chiralität (Physik)|linkshändig]]<ref name="SDW" /> und können daher die schwache Wechselwirkung nur zwischen linkshändigen Teilchen vermitteln (maximale [[Paritätsverletzung]]). Aus diesem Grund kann man dem W-Boson keine [[Parität (Physik)|Parität]] zuordnen.

== Vermittlung der Wechselwirkung ==
W-Bosonen können die schwache Wechselwirkung sowohl zwischen [[Lepton]]en als auch zwischen [[Quark (Physik)|Quarks]] vermitteln. Dabei wird jeweils die Art der wechselwirkenden Teilchen verändert (ihre [[elektrische Ladung]] und ihr [[schwacher Isospin]]).

Beispielsweise kann sich das [[Elektron]] (ein negativ geladenes Lepton) durch Emission eines W<sup>−</sup>-Bosons in das zugehörige, elektrisch neutrale Elektron-[[Neutrino]] umwandeln.

Bei den Quarks vermitteln die W-Bosonen die Umwandlung verschiedener [[Flavour]]s ineinander. Ein solcher Prozess findet z.&nbsp;B. beim [[radioaktiv]]en [[Betazerfall|Beta-Zerfall]] statt, bei dem in einem [[Neutron]] des [[Atomkern]]s ein [[Quark (Physik) #Down-Quark|Down-Quark]] (Ladung&nbsp;−{{Bruch|3}}&nbsp;e) in ein [[Quark (Physik) #Top-Quark|Up-Quark]] (Ladung&nbsp;+{{Bruch|2|3}}&nbsp;e) umgewandelt wird. Dadurch wird das Neutron zu einem [[Proton]], und die [[Kernladungszahl]] nimmt um eins zu. Das bei diesem Prozess abgestrahlte W-Boson ist – in Übereinstimmung mit der [[Ladungserhaltung]] – einfach negativ geladen (−1&nbsp;e), also ein W<sup>−</sup>-Boson.

Die schwache Wechselwirkung wird auch vom Z-Boson vermittelt, das jedoch nicht elektrisch geladen ist. Da [[flavour changing neutral current]]s (kurz FCNC) im [[Standardmodell]] der [[Teilchenphysik]] nicht als elementare Wechselwirkung existieren, könnte das Z-Boson selbst dann nicht zur Umwandlung von Quarks beitragen, wenn damit keine Ladungsänderung verbunden wäre.

Aufgrund der hohen Masse des W-Bosons ist die Reichweite der schwachen Wechselwirkung sehr gering (ca. 10<sup>−18</sup> m, etwa ein Tausendstel [[Proton]]<nowiki />durchmesser). Prozesse wie der [[Betazerfall]], deren Energien um mehrere Größenordnungen unter der [[Ruheenergie]] des W-Bosons liegen, können daher näherungsweise als Wechselwirkung von vier Teilchen in einem Punkt beschreiben werden ([[Fermi-Wechselwirkung]]).

== Erzeugung ==
W-Bosonen wurden 1967 im Rahmen der Theorie der [[Elektroschwache Wechselwirkung|elektroschwachen Wechselwirkung]] vorhergesagt. Als reelle Teilchen konnten sie aber erst erzeugt werden, als [[Teilchenbeschleuniger]] mit ausreichender Energie zur Verfügung standen.

Eine Möglichkeit der Erzeugung ist die Reaktion eines Quarks und eines [[Antiquark]]s gemäß

:<math>\begin{align} \mathrm d + \overline\mathrm u & \rightarrow  \mathrm W^- \\
                     \mathrm u + \overline\mathrm d & \rightarrow  \mathrm W^+ \,.
        \end{align}</math>

Unerlässlich ist dabei, dass hier Strahlen [[Colliding-Beam-Experiment|frontal kollidieren]], denn beim Aufprall auf ein ruhendes [[Target (Physik)|Target]] würde zu viel Energie ungenutzt bleiben.

Die o.&nbsp;g. W-Boson-Erzeugung lässt sich erreichen durch:
* die Reaktion von Protonen mit Protonen&nbsp;(pp). In diesem Fall stammt das Antiquark aus den [[Virtuelles Teilchen|virtuellen]] Antiquarks ([[Seequarks]]) innerhalb des Protons. Da Seequarks aber im Durchschnitt nur einen [[Impuls]]<nowiki />anteil von 4 % tragen, müssen hierfür [[Schwerpunktsenergie]]n weit oberhalb der W-Masse erzeugt werden.
* die Reaktion von Protonen mit [[Antiproton]]en&nbsp;(p<span style="text-decoration:overline">p</span>). Dabei findet die Reaktion zwischen [[Valenzquark]]s statt, und es ist nur eine ca. halb so große Energie erforderlich. Ein weiterer Vorteil von p<span style="text-decoration:overline">p</span>-Experimenten ist, dass man beide Teilchenstrahlen gegenläufig in ein und demselben Ring beschleunigen und speichern kann.

Mit p<span style="text-decoration:overline">p</span>-Kollisionen wurden am [[Super Proton Synchrotron]]&nbsp;(SPS) des [[CERN]], das in diesem Modus Sp<span style="text-decoration:overline">p</span>S genannt wurde, im Januar&nbsp;1983 erstmals reelle W-Bosonen erzeugt. Nachgewiesen wurden sie in den Detektoren&nbsp;[[UA1-Detektor|UA1]] und&nbsp;UA2.

Die Impulsanteile der reagierenden (Anti-)quarks in den (Anti-)protonen sind nicht bekannt. Dies führt zu Ungenauigkeiten in der Bestimmung der Masse des W-Bosons. Für Präzisionsmessungen ist die Erzeugung von W-Boson-Paaren gemäß

:<math>\mathrm e^- + \mathrm e^+ \rightarrow \mathrm W^- + \mathrm W^+</math>

besser geeignet. Die Erzeugung von Elektron- und [[Positron]]<nowiki />strahlen der erforderlichen Energie gelang 1998 am [[Large Electron-Positron Collider]]&nbsp;(LEP) des&nbsp;CERN nach dem Ausbau zum&nbsp;LEP2.

== Wissenschaftliche Diskussion ab 2022 ==
Im April 2022 veröffentlichte die [[Collider Detector at Fermilab|CDF-Kollaboration]] eine Messung der Masse des W-Bosons von
(80&#8239;433,5&nbsp;±&nbsp;9,4)&nbsp;MeV/c<sup>2</sup>. Die Grundlage für diese Messung waren Daten von 4 Millionen W-Bosonen-Kandidaten am Teilchenbeschleuniger [[Tevatron]] am [[Fermi National Accelerator Laboratory|Fermilab]] bei einer Schwerpunktsenergie von 1,96 TeV. Die neu bestimmte Masse steht nach Darstellung der Arbeitsgruppe im Widerspruch zu der Voraussage des [[Standardmodell der Teilchenphysik|Standardmodells]] auf der Basis der bisher besten bekannten Werte der Massen von Z-Boson, Higgs-Boson und Top-Quark, der Sommerfeldschen [[Feinstrukturkonstante]] und der [[Myon]]en-Lebensdauer, die einen Wert von (80&#8239;357&nbsp;±&nbsp;8)&nbsp;MeV/c<sup>2</sup> erwarten lässt.<ref>{{Cite web|url=https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781|title=High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector|date=2022-04-07|accessdate=2022-04-08|author=CDF Collaboration|work=[[Science]]|language=en}}</ref> Der gemessene Wert der CDF-Kollaboration steht im Widerspruch zu den anderen Präzisionsmessungen der [[ATLAS (Detektor)|ATLAS]], [[LHCb]] und [[D0-Experiment|D0]] Kollaborationen.<ref>{{Cite web|url=https://www.sueddeutsche.de/wissen/w-boson-tevatron-teilchenphysik-1.5563050|title=Teilchenforschung: Messdaten deuten auf neue Physik hin|date=2022-04-07|author=Marlene Weiß|work=[[Süddeutsche Zeitung#Internetportal|SZ.de]]}}</ref> Die Kombination aller Messungen der W-Boson Masse außer der Messung von CDF ergibt einen Wert von (80&#8239;369,2&nbsp;±&nbsp;13,3)&nbsp;MeV/c<sup>2</sup>, welcher mit einer Signifikanz von 3,6σ von der CDF Messung abweicht.<ref>{{Internetquelle |autor=Simone Amoroso, Nansi Andari, William Barter, Josh Bendavid, Maarten Boonekamp, Stephen Farry, Martin Gruenewald, Chris Hays, Ross Hunter, Jan Kretzschmar, Oliver Lupton, Martina Pili, Miguel Ramos Pernas, Boris Tuchming, Mika Vesterinen, Alessandro Vicini, Chen Wang, Menglin Xu |url=https://arxiv.org/abs/2308.09417 |titel=Compatibility and combination of world W-boson mass measurements |abruf=2023-08-18}}</ref> Eine verbesserte Analyse am ATLAS-Experiment führt auf einen Messwert von 80&#8239;360 MeV/c<sup>2</sup> mit einer Unsicherheit von 16 MeV, was ebenfalls im Widerspruch zur CDF Messung steht.<ref>{{Internetquelle |autor=ATLAS Collaboration |url=https://cds.cern.ch/record/2853290 |titel=Improved W boson Mass Measurement using 7 TeV Proton-Proton Collisions with the ATLAS Detector |abruf=2023-03-23}}</ref> Die [[Compact Muon Solenoid|CMS]]-Kollaboration berichtete 2024 einen Wert von 80&#8239;360,2 MeV/c<sup>2</sup> mit einer Unsicherheit von 9,9 MeV, der das Standardmodell bestätigt.<ref>{{Internetquelle |url=https://home.cern/news/press-release/physics/cms-experiment-cern-weighs-w-boson-mass |titel=CMS experiment at CERN weighs in on the W boson mass |datum=2024-09-18 |sprache=en |abruf=2024-09-23}}</ref>

== Literatur ==
* {{Literatur
   |Autor=[[Bogdan Povh]], [[Klaus Rith|K. Rith]], C. Scholz, F. Zetsche
   |Titel=Teilchen und Kerne: Eine Einführung in die physikalischen Konzepte
   |Auflage=6.
   |Verlag=Springer-Verlag
   |Datum=2004
   |ISBN=3-540-21065-2}}

== Weblinks ==
{{Wiktionary|W-Boson}}
* {{Alpha Centauri|204}}
* {{Internetquelle |url=https://pdglive.lbl.gov/Particle.action?node=S043&init=0 |titel=Gauge and Higgs bosons |werk=PDGlive |hrsg=Particle Data Group |abruf=2023-11-28}}
* {{Literatur
   |Autor=R.L. Workman ''et al.'' (Particle Data Group)
   |Titel=Mass and Width of the W Boson
   |Sammelwerk=Prog. Theor. Exp. Phys.
   |Datum=2022
   |Seiten=083C01
   |Online=https://pdg.lbl.gov/2023/reviews/rpp2022-rev-w-mass.pdf
   |Format=PDF
   |KBytes=424}}

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="SDW">
Natalie Wolchover: ''Ein neues Bild der Teilchen und Kräfte''. In: ''[[Spektrum der Wissenschaft]].'' 2021, Nr. 4, S. 21. „Linkshändig“ bezieht sich hier, wie generell bei der Beschreibung der schwachen Wechselwirkung, auf die (lorentz-invariante) [[Chiralität (Physik)|Chiralität]], nicht auf die [[Helizität]].
</ref>
<ref name="PDG">
{{Literatur
|Autor=S. Navas et al. ([[Particle Data Group]])
|Titel=Review of Particle Physics
|Sammelwerk= Phys. Rev. D
|Band=110
|Nummer=030001 
|Datum=2024
|Seiten=1187
|DOI=10.1103/PhysRevD.110.030001}}
</ref>
</references>

[[Kategorie:Elementarteilchen]]
[[Kategorie:Boson]]
[[Kategorie:Schwache Wechselwirkung]]