WボソンとZボソン

WボソンとZボソンは弱い相互作用のゲージ粒子である。ニュートリノと物質とのあらゆる相互作用は、このどちらかを介して進む。

質量

その最も目立つ性質は重さである。

粒子	質量	電荷
W⁺ と W⁻	およそ 80.4 GeV/c²	+1 と −1
Z⁰	およそ 91.2 GeV/c²	0

陽子の重さは1ギガ電子ボルトに満たない。つまりこれらのゲージ粒子は陽子まるごとのおよそ80倍から90倍の重さがある—一方、電磁気力を伝える光子はまったく質量を持たない。

この質量から弱い力の微小な到達距離が導かれ、それによってあらゆるニュートリノ過程の鈍重さが生じる。

Wボソンは同一性を変える。ベータ崩壊では中性子の中のダウンクォークがアップクォークに変わり、そのときW⁻を放出する。 W⁻は直ちに電子と反ニュートリノに崩壊する。このような過程を荷電カレントと呼ぶ。

Zボソンは同一性については何も変えず、エネルギーと運動量を移すだけである。ニュートリノは原子核で散乱してもニュートリノのままでいられる。この中性カレントを電弱理論が予言し、Gargamelleが1973年にそれを見いだした。

今日の小型検出器を可能にする原子核でのコヒーレント散乱も中性カレントに基づいている。

両者が検出されたのは1983年、CERNの実験UA1とUA2においてである。

そこに至る道は注目に値する。この質量の粒子を生み出すには、それまで到達されなかったエネルギーの衝突が必要であった。カルロ・ルビア（Carlo Rubbia）は既存の加速器の改造を押し通した。陽子を固定標的に撃ち込むのではなく、陽子と反陽子を互いに向かって走らせるというのである。

問題は十分な数の反陽子を集め、それを使える一本のビームにまとめることであった。シモン・ファン・デル・メール（Simon van der Meer）がそのために確率冷却を開発した。これは粒子の運動を絶えず測定し、狙いを定めた補正によってビームが十分に細くなるまで減衰させる方法である。

両者はそれによって早くも1984年にノーベル賞を受けた。賞の歴史の中で最も早い授与の一つである。

注目すべきはその順序である。グラショウ（Glashow）、サラム（Salam）、ワインバーグ（Weinberg）はすでに1979年に理論に対して賞を受けていた。つまり彼らの粒子が見つかる前である。専門家を納得させるにはGargamelleの知見で十分だったのである。

Zボソンはニュートリノ物理学に、その最も重要な数値の一つをもたらした。

Zボソンはさまざまな粒子対に崩壊しうるが、その中にはニュートリノとその反粒子への崩壊もある。そのような崩壊は目に見えない— しかしそれはZの寿命を縮め、それによって共鳴曲線を広げる。

したがって測定された幅から、いくつの見えない経路へ崩壊しうるかを読み取ることができる。とりわけジャック・シュタインバーガーが関与した大型電子陽電子衝突型加速器での測定は、 1989年以降、明確な値をもたらした。すなわち軽いニュートリノは三種類である。

これは間接測定の模範例である。見えないものを、別のものがどれだけ速く崩壊するかを測ることによって数えるのである。

この測定はステライルニュートリノを排除しない。それらは定義上Zに結合しないからである。しかし通常のニュートリノすべてについて数は確定した— そしてPMNS行列がちょうど三行三列であるのは、この測定がそれを要求するからである。

2022年、フェルミ研究所のCDFコラボレーションがWボソン質量のきわめて精密な測定を発表した— そしてその値は標準模型の予測を明らかに上回り、示された不確かさをはるかに超えていた。

それは建物の亀裂となったはずであった。 Wボソン質量は理論を通じて他の測定量と結びついており、したがって自由に選べるものではないからである。

しかしCERNでの後の測定は、標準模型と両立する値をもたらした。この偏差は今日、おおむね一つの実験における解析上の効果とみなされている。

この経緯は教訓に富む。一つのきわめて精密な測定は、独立に確認されないかぎり十分ではない— その統計的有意性がいかに印象的であってもである。

UA1コラボレーション：Experimental observation of isolated large transverse energy electrons with associated missing energy, Physics Letters B 122, 103 (1983).
ALEPH, DELPHI, L3, OPAL: Precision electroweak measurements on the Z resonance, Physics Reports 427, 257 (2006).