W ve Z bozonları

Temel özellikler

W bozonunun iki türü +1 ve -1 elektrik yüklerine sahiptir. W ⁺ bozonu W ⁻ bozonunun antiparçacığıdır. Z bozonu (veya Z ⁰) elektriksel olarak yüksüzdür ve kendisinin antiparçacığıdır. Her üç parçacık da yaklaşık 3×10⁻²⁵ s'lik yarı ömürleri ile çok kısa bir süre varlıklarını sürdürür. Bu yüzden bu parçacıklar OPAL dedektörü ile doğrudan gözlemlenemez, ancak bozunum ürünleri ölçülebilir.
Bu bozonlar 80,447 ± 0.042 GeV/c² ve 91.1876 ± 0.0021 GeV/c² kütleleri ile temel parçacıklar arasında ağır siklet olarak nitelendirilirler.  W ve Z ᵒ parçacıkları bir protona göre 100 kat daha ağırdır ve ayrıca bütün  bir demir atomundan da daha ağırdır. Bu bozonların kütleleri önemlidir; çünkü bunlar zayıf nükleer kuvvetin erimini sınırlar. Elektromanyetik kuvvet sınırsız erime sahiptir; çünkü bu kuvvetin bozonu (foton) kütlesizdir.
W bozonun kütlesi LEP ve Tevatron deneyleri ile tespit edildi. Tevatron'da W bozonu başlıca kuark antikuark yokoluşu ile üretilir.
Her üç türün de spini 1'dir.
W ⁺ veya W ⁻ bozonlarının emisyonu, salımı yapan parçacığın elektrik yükünü 1 birim artırır veya azaltır, ayrıca spini de 1 birim değiştirir. Aynı şekilde bir W bozonu parçacığın neslini de değiştirir; örneğin garip kuarkı, yukarı kuarka dönüştürür. Z ⁰ parçacığın elektrik yükünü veya başka herhangi bir yükünü (acayiplik gibi) değiştirmez, sadece spin ve momentumda etkilidir. Bu yüzden o salınımı yapan parçacığın neslini veya çeşnisini asla değiştirmez.

Öngörü

1950lerde kuantum elektrodinamiğinin olağanüstü başarısını takip eden süreçte, denemeler zayıf nükleer kuvvete benzer bir teorinin formüle edilmesi gerektiğini gösterdi. Bu durum, 1968 civarında Sheldon Glashow, Steven Weinberg, ve Abdus Salam'ın elektromanyetizma ve zayıf etkileşimin birleşik teorisini ortaya attıklarında doruğa ulaştı. Glashow, Weinberg ve Salam bu çalışmaları ile 1979'da Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldüler. Onların elektrozayıf teorisi, beta bozunumunu açıklamak için W bozonuna ek olarak ayrıca henüz gözlemlenmemiş olan Z bozonunun da varolması gerektiğini öngörüyordu.
Fotonlar kütlesiz iken W ve Z bozonlarının kütle sahibi olması elektrozayıf teorinin gelişimi yönündeki büyük engellerden biriydi. Bu parçacıklar SU(2) ayar teorisi tarafından doğru bir şekilde tanımlandı, ancak gauge teorisindeki bozonlar kütlesiz olmalıydı. Bu noktada fotonlar kütlesizdir; çünkü, elektromanyetizma U(1) gauge teorisi tarafından tanımlanır. W ve Z bozonlarına kütle kazandırılabilmesi için, SU(2) simetrisinin kırılmasını sağlayacak bir mekanizma gereklidir. Açıklamalardan biri 1960ların sonunda Peter Higgs tarafından öne sürülen, Standart Model'in öngördüğü temel parçacıklara kütle kazandırmak amacıyla tasarımlanmış olan Higgs mekanizmasıdır . Bu açıklama ayrıca yeni bir parçacık Higgs bozonunun da varlığını öngörüyor.
Zayıf etkileşimin SU(2) gauge teorisi, elektromanyetik etkileşim ve Higgs mekanizmasının kombinasyonu Glashow-Weinberg-Salam modeli olarak bilinir. Model bu günlerde geniş ölçüde parçacık fiziğinin Standart Modelinin destekçisi olarak kabul görüyor. 2008 itibarı ile Fermilab ve CERN'deki yoğun araştırmalara rağmen deneysel olarak henüz doğrulanamamış olan Higgs bozonu Standart modelin temel öngörüsü olarak varlığını sürdürmektedir.

Keşif

W ve Z parçacıklarının keşfi CERN'ün büyük başarı hikâyesidir. İlk olarak 1973'te elektrozayıf teorinin tahmin ettiği gibi nötral akım etkileşimleri gözlemlendi. Gargamelle adlı dev kabarcık odası, aniden hareket etmeye başlayan birkaç elektronun izini fotoğrafladı. Bu durum görünmeyen Z bozonunun değiş tokuşu ile meydana gelen elektron nötrino etkileşimi olarak yorumlandı. Nötrino başka türlü dedekte edilemez. Bu yüzden tek gözlenebilir etki etkileşim esnasında elektrona verilen momentumdur.
Bu parçacıkların keşfi onları üretebilecek kadar güçlü bir parçacık hızlandırıcının inşa edilmesini beklemek zorundaydı. Bu şekilde uygun olan ilk makine, Ocak 1983'te Carlo Rubbia ve Simon van der Meer tarafından idare edilen bir dizi deney esnasında kesin W sinyallerinin gözlendiği Süper Proton Senkrotronuydu (SPS). (Asıl deneyler birçok insanın işbirliği ile yapılan Rubbia liderliğindeki UA1 ve Darriulat liderliğindeki UA2 idi.) 20 ve 21 Ocak'ta CERN W bozonunun gözlendiğini anons etti. UA1 birkaç ay sonra Mayıs 1983'te Z'yi buldu, ve 27 Mayıs'ta parçacığın keşfi anons edildi. 1984'te Rubbia ve van der Meer'e, muhafazakar Nobel Vakfı için sıradışı sayılabilecek bir adımla, vakit kaybedilmeden  Nobel Fizik Ödülü verildi. Bu aynı zamanda CERN'ün kazandığı ilk Nobel ödülüdür. 
Amerikalı parçacık fizikçileri W bozonunun CERN'deki keşfine kadar herhangi bir gerçek rekabet hissetmemişlerdi. Yeni rekabet ortamı Avrupa ile ilişkiler sonsuza kadar değiştirdi.