W- und Z-Boson

Das W-Boson und das Z-Boson sind die Botenteilchen der schwachen Wechselwirkung. Jede Wechselwirkung eines Neutrinos mit Materie läuft über eines von beiden.

Die Massen

Ihre auffälligste Eigenschaft ist ihr Gewicht:

Ein Proton wiegt knapp ein Gigaelektronenvolt. Diese Botenteilchen sind also rund achtzig- bis neunzigmal so schwer wie ein ganzes Proton — während das Photon, das die elektromagnetische Kraft überträgt, gar keine Masse hat.

Aus dieser Masse folgt die winzige Reichweite der schwachen Kraft und damit die Schwerfälligkeit aller Neutrinovorgänge.

Was sie bewirken

Das W-Boson ändert die Identität. Beim Betazerfall wandelt sich ein Down-Quark im Neutron in ein Up-Quark um und sendet dabei ein W⁻ aus, das sofort in ein Elektron und ein Antineutrino zerfällt. Solche Vorgänge heißen geladene Ströme.

Das Z-Boson ändert nichts an der Identität, sondern überträgt nur Energie und Impuls. Ein Neutrino kann an einem Atomkern streuen und Neutrino bleiben. Diese neutralen Ströme sagte die elektroschwache Theorie voraus, und Gargamelle fand sie 1973.

Auf einem neutralen Strom beruht auch die kohärente Streuung an Atomkernen, die heutige Kleindetektoren möglich macht.

Die Entdeckung von 1983

Nachgewiesen wurden beide 1983 am CERN, in den Experimenten UA1 und UA2.

Der Weg dorthin ist bemerkenswert. Um Teilchen dieser Masse zu erzeugen, brauchte man Zusammenstöße von bis dahin unerreichter Energie. Carlo Rubbia setzte durch, einen vorhandenen Beschleuniger umzubauen: Statt Protonen auf ein festes Ziel zu schießen, sollten Protonen und Antiprotonen gegeneinander laufen.

Das Problem war, genug Antiprotonen zu sammeln und sie zu einem brauchbaren Strahl zu bündeln. Simon van der Meer entwickelte dafür die stochastische Kühlung — ein Verfahren, das die Bewegung der Teilchen laufend misst und durch gezielte Korrekturen dämpft, bis der Strahl eng genug ist.

Beide erhielten dafür bereits 1984 den Nobelpreis, eine der schnellsten Vergaben der Preisgeschichte.

Bemerkenswert ist die Reihenfolge: Glashow, Salam und Weinberg hatten den Preis schon 1979 für die Theorie erhalten, also bevor ihre Teilchen gefunden waren. Der Befund von Gargamelle hatte genügt, um die Fachwelt zu überzeugen.

Die Zahl der Neutrinoarten

Das Z-Boson hat der Neutrinophysik eine ihrer wichtigsten Zahlen geliefert.

Ein Z-Boson kann in verschiedene Teilchenpaare zerfallen, darunter in ein Neutrino und sein Antiteilchen. Solche Zerfälle sieht man nicht — aber sie verkürzen die Lebensdauer des Z und verbreitern damit seine Resonanzkurve.

Aus der gemessenen Breite lässt sich also ablesen, in wie viele unsichtbare Kanäle es zerfallen kann. Die Messungen am Large Electron-Positron Collider, an denen unter anderem Jack Steinberger beteiligt war, ergaben ab 1989 einen klaren Wert: drei leichte Neutrinoarten.

Das ist ein Musterbeispiel für indirekte Messung. Man zählt etwas, das man nicht sieht, indem man misst, wie schnell etwas anderes zerfällt.

Diese Messung schließt sterile Neutrinos nicht aus, denn die würden sich definitionsgemäß nicht an das Z koppeln. Für alle gewöhnlichen Neutrinos aber ist die Zahl damit festgelegt — und die PMNS-Matrix hat genau drei Zeilen und drei Spalten, weil diese Messung es so verlangt.

Eine Zahl, die Unruhe stiftete

2022 legte die CDF-Kollaboration am Fermilab eine sehr genaue Messung der W-Masse vor — und der Wert lag deutlich über der Vorhersage des Standardmodells, weit außerhalb der angegebenen Unsicherheiten.

Das wäre ein Riss im Gebäude gewesen, denn die W-Masse hängt über die Theorie mit anderen gemessenen Größen zusammen und ist damit nicht frei wählbar.

Spätere Messungen am CERN kamen jedoch zu Werten, die mit dem Standardmodell verträglich sind. Die Abweichung gilt heute überwiegend als Analyseeffekt eines einzelnen Experiments.

Der Vorgang ist lehrreich: Eine einzelne sehr genaue Messung reicht nicht, solange sie nicht unabhängig bestätigt ist — auch dann nicht, wenn ihre statistische Signifikanz beeindruckt.

Verwandte Begriffe

• Schwache Wechselwirkung
• Gargamelle — die neutralen Ströme
• Jack Steinberger — die Familienzahl
• Standardmodell

Quellen

• UA1-Kollaboration: 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).