W-partikel

W-partiklen blev forudsagt i slutningen af 1960’erne som en del af den elektrosvage teori, udviklet af Sheldon Glashow, Abdus Salam og Steven Weinberg, der delte Nobelprisen i fysik i 1979 for dette arbejde. I den elektrosvage teori formidles den svage kernekraft af ladede W⁺ -og W⁻ -partikler, som står for processer, hvor elektrisk ladning ændres, fx ved radioaktivt beta-henfald. Teorien forudsagde både W-partiklens eksistens, dens omtrentlige masse og hvordan den henfalder.

W-partiklen har en masse på 80 GeV, altså 80 gange massen af en proton. Derfor er det svært at skabe den i partikelkollisioner: man behøver kollisionsenergier, der er store nok til at kunne skabe den store masse ved hjælp af Einsteins ækvivalens mellem energi og masse, E = mc², der følger af den specielle relativitetsteori. For at nå så store kollisionsenergier måtte man først udvikle en særlig teknik til at kollidere protoner med deres anti-partikel; anti-protoner. Dette projekt blev påbegyndt i slutningen af 1970’erne på CERN og førte til konstruktionen af en ny accelerator kaldet SPS.

I 1983 blev W-partiklen opdaget ved CERN i eksperimentet UA1, hvor man observerede dens karakteristiske henfald til en ladet lepton og en neutrino. Fundet bekræftede den elektrosvage teoris forudsigelser og udgjorde et afgørende gennembrud for Standardmodellen. For udviklingen af eksperimenterne og accelerator-teknikken modtog italieneren Carlo Rubbia og hollænderen Simon van der Meer Nobelprisen i fysik i 1984.

W-partikler er tunge, med en masse omkring 80 gange større end protonens. W⁺ og W⁻ henfalder ekstremt hurtigt — inden for ca. 3·10⁻²⁵ s — typisk til et lepton-par eller til kvarker, som efterfølgende danner hadroner. W-partiklernes masse skyldes Higgs-mekanismen, og koblingen mellem W og Higgs-partiklen er et af de steder, hvor Higgs-feltets rolle tydeligst kan testes eksperimentelt.

W-partikler produceres i naturen, hver gang en radioaktiv partikel henfalder via beta-henfald. I almindeligt beta-henfald (beta-minus-henfald) omdannes en neutron til en proton, en anti-neutrino og en elektron. Denne proces sker ved, at én af neutronens ned-kvarker omdannes til en op-kvark, ved udsendelse af en W⁻, der hurtigt henfalder til en elektron og en anti-neutrino. I beta-plus-henfald, hvor en proton omdannes til en neutron, en neutrino og en positron*, formidles processen af W+. Her omdannes en af protonens op-kvarker til en ned-kvark ved udsendelse af en W+, der henfalder til en neutrino og en positron.

Når en W produceres i radioaktive henfald, produceres den virtuelt, med en masse langt fra dens naturlige masse. Derfor kan man ikke bruge radioaktive henfald til at studere W-partiklen i sig selv. Her må man skabe dem ved høje energier i partikelacceleratorer. Den mest almindelige produktionsproces involverer kvarker, fx en op-kvark fra en proton og en anti-ned-kvark fra en antiproton eller en anden proton. Ved LHC produceres W-partikler i enorme mængder og bruges som præcisionsværktøjer i tests af Standardmodellen.

• Z-partikel