Bosoni W e Z
I bosoni $W$ e $Z$ sono le particelle mediatrici dell’interazione debole, una delle quattro forze fondamentali della natura.
A differenza del fotone, che è senza massa e permette all’interazione elettromagnetica di avere un raggio infinito, i bosoni deboli sono molto massivi: questa è la ragione per cui l’interazione debole agisce solo a distanze microscopiche, inferiori alla dimensione di un nucleo atomico.
Esistono due tipi di bosoni nell'interazione debole:
- Il bosone $W$ media le correnti cariche. È responsabile dei processi in cui cambia la carica elettrica e, nei quark, anche il sapore. Il bosone $ W^+$ ha carica positiva +1, mentre il bosone $ W^- $ ha carica negativa -1. Quindi, possono aumentare o diminuire di una unità la carica della particella iniziale. Inoltre, possono cambiare il sapore dei quark.
Un esempio tipico è il decadimento beta: un neutrone si trasforma in protone emettendo un elettrone e un antineutrino elettronico: $ n \to e^- + \bar{\nu}_e $
- Il bosone $Z$ media le correnti neutre, ossia interazioni in cui le particelle non cambiano carica. Il bosone $ Z^0 $ è neutro e non causa alcun cambiamento di carica o di sapore nella particelle coinvolte.
Ad esempio, in uno scattering un neutrino scambia un bosone $Z^0$ virtuale con un elettrone, le due particelle non cambiano sapore, né carica, restano le stesse: $ \nu_\mu + e^- \;\to\; \nu_\mu + e^- $.
Caratteristiche principali
- Tipi: $W^+$ e $W^-$, dotati di carica elettrica positiva e negativa; $Z^0$, elettricamente neutro.
- Spin: 1, quindi sono bosoni vettoriali (cd bosoni intermedi).
- Massa: circa 80 GeV/$c^2$ per il $W$, 91 GeV/$c^2$ per il $Z$, oltre 80 volte quella di un protone.
- Vita media: brevissima, circa $10^{-25}$ secondi, motivo per cui non si osservano mai direttamente ma solo attraverso i loro prodotti di decadimento.
La storia
L'esistenza dei bosoni $ W $ e $ Z $ fu prevista alla fine degli anni Sessanta dalla teoria elettrodebole di Glashow, Weinberg e Salam.
La sfida principale era spiegare perché $W$ e $Z$ avessero una massa così grande senza distruggere la coerenza matematica della teoria di gauge.
La risposta è il meccanismo di Higgs, la rottura spontanea di simmetria che “dona” massa ai bosoni $W$ e $Z$, lasciando invece il fotone privo di massa.
La scoperta sperimentale
Le correnti neutre furono osservate per la prima volta nel 1973, nell’esperimento Gargamelle al CERN, fornendo una conferma indiretta dell’esistenza del bosone $ Z^0 $
I bosoni $W$ e $Z$ furono osservati per la prima volta dieci anni più tardi, nel 1983 al CERN, negli esperimenti UA1 e UA2 al Super Proton Synchrotron.
La scoperta rappresentò una conferma spettacolare della teoria elettrodebole e valse il Premio Nobel per la Fisica nel 1984 a Carlo Rubbia e Simon van der Meer.
L’analisi dei decadimenti del bosone $Z$ ha permesso di stabilire che in natura esistono tre famiglie di neutrini, e dunque tre generazioni di fermioni fondamentali.
Questo risultato è uno dei pilastri della nostra attuale comprensione del Modello Standard.
Auto-interazioni dei bosoni $W$ e $Z$
Un aspetto sorprendente dell’interazione debole è che i suoi bosoni mediatori non si limitano a trasmettere la forza, ma possono anche interagire tra loro.
Questo fenomeno prende il nome di auto-interazione ed è una conseguenza diretta della struttura matematica della teoria elettrodebole.
Nota. L’elettrodinamica quantistica (QED) è una teoria abeliana: il fotone non porta carica elettrica, quindi non interagisce con sé stesso. Al contrario, l’interazione debole si basa sul gruppo di gauge non abeliano $SU(2)_L \times U(1)_Y$. I bosoni $W$ portano essi stessi la carica debole, e questo li rende capaci di interagire direttamente tra loro e con gli altri bosoni del modello.
Esistono diversi tipi e vertici di auto-interazione:
A] Interazioni trilineari
Le interazioni trilineari coinvolgono tre bosoni vettori in un unico vertice di Feynman. Nel Modello Standard i casi più importanti sono $WW\gamma$ e $WWZ$. Il primo riflette il fatto che i bosoni $W^\pm$, avendo carica elettrica, si accoppiano al fotone; il secondo mostra il legame diretto tra i bosoni carichi e il neutro $Z^0$.
- $WW\gamma$: i bosoni $W^\pm$, avendo carica elettrica, si accoppiano al fotone.
- $WWZ$: i bosoni $W$ possono interagire anche con il bosone neutro $Z$.
Questi vertici sono una firma evidente della natura non abeliana della teoria elettrodebole.
B] Interazioni quartiche
Le interazioni quartiche coinvolgono quattro bosoni nello stesso vertice: ad esempio $WW\gamma\gamma$, $WWZZ$ e $WWZ\gamma$. Sono meno frequenti ma altrettanto fondamentali per la coerenza della teoria, poiché garantiscono l’unitarietà delle ampiezze di scattering alle alte energie.
- $WWWW$: quattro $ W $ accoppiati tra loro.
- $WW\gamma\gamma$: due $W$ accoppiati a due fotoni.
- $WWZZ$: due $W$ accoppiati a due $Z$.
- $WWZ\gamma$: combinazioni miste.
Queste auto-interazioni non sono un dettaglio secondario, perché garantiscono la coerenza interna della teoria (unitarietà alle alte energie) e distinguono l’interazione debole dalla QED, dove il fotone resta “inerte”;
Inoltre, aprono la strada a processi caratteristici come la produzione multipla di bosoni vettori in collisioni ad alta energia.
Nota. Le auto-interazioni furono testate con precisione negli anni Novanta al LEP (CERN), dove vennero osservati processi di produzione di coppie di bosoni $W^+W^-$. In seguito, esperimenti al Tevatron e al Large Hadron Collider hanno confermato la struttura prevista dal Modello Standard, misurando i vertici trilineari e quartici con grande accuratezza.
E così via.
