WボゾンとZボゾンとは？弱い力の仕組み・性質と発見の歴史（1983年）

WボゾンとZボゾンは、素粒子の一群である。ボソンとは、スピンが0か1であることを意味する。どちらも1983年までに実験で発見されています。この2つの粒子が一緒になって、"弱い力 "と呼ばれる力を担っているのです。弱い力は、強い力ほど強くないので、弱い力と呼ばれています。電荷の異なる2つのWボゾン、通常のW⁺ 、およびその反粒子であるW^– があります。Zボゾンはそれ自身の反粒子である。

基本的な性質

• 種類：W± と Z はどちらもボソン（整数スピンを持つ粒子）で、標準模型における電弱相互作用のゲージボソンです。
• スピン：両者ともスピン1（ベクトル粒子）です。
• 電荷：W ボゾンは電荷を持ち（W⁺ と W^–）、Z ボゾンは電気的に中性であり、それ自身が反粒子です。
• 質量：W は約80.4 GeV/c²、Z は約91.2 GeV/c²と非常に重いため、短い距離でしか作用しません（作用範囲は約10⁻¹⁸ m程度）。
• 寿命と崩壊：どちらも極めて短命で、様々なレプトンやクォーク対に崩壊します。W はレプトン＋ニュートリノや2個のクォークへ、Z は正反対のレプトン対（e⁺e⁻, μ⁺μ⁻ など）やクォーク対へ崩壊します。

弱い力の仕組みと役割

W と Z は「荷電カレント（charged current）」と「中性カレント（neutral current）」を仲介します。具体的には：

• Wボゾン（荷電カレント）：電荷を運ぶため、粒子の種類（フレーバー）を変える反応を引き起こせます。例えばβ崩壊では、あるクォークが別の種類のクォークに変わる際にWが関与します（中性子→陽子＋電子＋反ニュートリノ のような過程）。
• Zボゾン（中性カレント）：電荷を変えずに相互作用を起こすため、ニュートリノ散乱など電荷が保存される反応を仲介します。Z はそのまま崩壊して荷電粒子対を作ることが多く、実験的に見つけやすいシグネチャーになります。

弱い力はパリティ（鏡映対称性）を破ることで知られ、これは20世紀中頃の実験で確かめられました。電弱統一理論（Glashow、Weinberg、Salam による理論）は、電磁気力と弱い力を統一的に説明し、WとZの存在を予言していました。これらの粒子が重いのは、ヒッグス機構による自発的対称性の破れで質量を獲得したためです（ヒッグス粒子は2012年に発見されました）。

発見の歴史（1983年）

W と Z は1983年、CERN のスーパー陽子反陽子衝突装置（SPS）を用いた実験（UA1 と UA2）によって観測されました。W の典型的な検出シグネチャーは高エネルギーの荷電レプトンと失われた運動量（ニュートリノによる）で、Z は二個の高エネルギーな反対電荷のレプトン（e⁺e⁻ や μ⁺μ⁻）として現れ、その二体系の不変質量が約91 GeV にピークします。これらの観測は電弱理論の重要な検証となり、研究チームのリーダーであった Carlo Rubbia と加速器技術で貢献した Simon van der Meer は1984年にノーベル物理学賞を受賞しました。

現在の研究と意義

• W・Z の性質（質量、幅、結合定数など）を高精度で測ることは、標準模型の厳密な検証に直結します。精密測定は新しい物理（標準模型を超える効果）を探す有力な手段です。
• 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）などでは、W/Z を多産出するため、稀な崩壊モードや新しい相互作用の探索が進められています。

まとめると、WボゾンとZボゾンは電弱相互作用を仲介する重いゲージボソンであり、素粒子物理学の中心的な要素です。彼らの発見とその後の精密研究は、現代の素粒子物理学と宇宙の理解に大きく貢献しています。

WボゾンとZボゾンの生成

WボゾンとZボゾンは、放射性崩壊の一種であるベータ崩壊でのみ生成されることが知られています。

ベータ線減衰

ベータ崩壊は、原子の中に中性子がたくさんあるときに起こります。中性子を簡単に考えると、陽子1個と電子1個でできています。一つの原子核の中に中性子が多すぎると、一つの中性子が分裂して陽子と電子になります。陽子はその場に留まり、電子は信じられない速さで原子の外に飛び出していきます。これがベータ線が人体に有害な理由です。

陽子も中性子もそれぞれ3つのクォークという素粒子でできているので、上記のモデルは完全には正確ではありません。陽子はアップクォーク2個（電荷は＋2/3）とダウンクォーク1個（電荷は-1/3）からできている。中性子は、アップクォーク1個とダウンクォーク2個でできている。このため、陽子の電荷は+1、中性子の電荷は0である。

弱い力は、クォークのフレーバーを変えることができると考えられています。例えば、中性子のダウンクォークをアップクォークに変えると、陽子と同じクォークの配列になるので、中性子の電荷は+1になります。電荷が+1された3クォークの中性子は、陽子であるための条件をすべて満たしているので、この後はもはや中性子ではなくなります。したがって、ベータ崩壊は中性子を（他のいくつかの最終生成物とともに）陽子にすることになる。

Wボゾンの崩壊

ベータ崩壊のようにクォークがフレーバーを変えるとき、Wボゾンが放出される。Wボゾンは平均して3x10^-25 秒しか存在せず、その後他の粒子に崩壊してしまうので、半世紀弱前まで発見されなかった。驚くべきことに、Wボゾンは陽子の約80倍の質量を持っています。その元となった中性子の重さは、陽子とほぼ同じであることに留意してください。量子の世界では、質量の小さい粒子から質量の大きい粒子が生まれることは珍しくありません。余分な質量は、アインシュタインの有名な式、E = m c 2 {displaystyle E=mc^{2}} によって蓄えられたエネルギーから生まれます。.3x10^-25 秒が経過した後，Wボゾンは1個の電子と1個のニュートリノに崩壊します。ニュートリノは物質とほとんど相互作用しないので、これからは無視しても構いません。電子は高速で原子の外に押し出されます。ベータ崩壊で生成された陽子は原子核に残り、原子番号を1つ上げる。

Zボゾン崩壊

Wボゾンの存在を予言することに成功した物理学の標準模型では、Zボゾンも予言されている。Zボゾンはフェルミオンとその反粒子に崩壊するが、それらは電子やクォークなど、還元プランク定数の半分の単位でスピンを持つ粒子である。

·         v ·         t ·         e 物理学における粒子
初級	フェルミ粒子 クォーク 上 下 じゅもん 変 トップ 下 レプトン エレクトロン ポジトロン ミューオン タウ ニュートリノ ボソン ゲージ フォトン グルーオン Wボゾン、Zボゾン スカラー ヒッグス粒子
コンポジット	ハドロン バリオン / ハイペロン ヌクロン プロトン ニュートロン デルタバリオン ラムダバリオン シグマバリオン Xiバリオン オメガバリオン メソン／クアルコニア パイオン ロー中間子 イータメソン エタプライム π中間子 オメガ中間子 J/ψ ウプシロン中間子 シータ中間子 カオン その他 原子核 アトム ディクアーク エキゾチックな原子 ポジトロニウム ミュオニウム タウソニウム オニア スーパーアトムズ 分子
仮定の話	グラビティーノ グルイノ アクシーノ チャルジーノ ヒッグスノウ ニュートラリーノ スフェルミオン アクシオン ディラトン グラビトン マジョロン メジャラナフェリオン 磁気単極子 タキオン 無菌ニュートリノ

これはベータ崩壊の図です。「udd "と "n "は中性子を表し、1つのアップクォークと2つのダウンクォークからできています。「udu "と "p "は陽子を意味し、2つのアップクォークと1つのダウンクォークからできている。W– はW– ボゾンを指し、e– (電子)とその上に線があるve (電子反ニュートリノ)に崩壊する。「t "は時間を意味する。

質問と回答

Q:WボゾンとZボゾンとは何ですか?

Q:WボソンとZボソンのスピンは何ですか?

Q: WボゾンとZボゾンはいつ発見されたのですか?

Q:WボゾンとZボゾンはどんな力を生み出しているのですか?

Q:なぜ弱い力と呼ばれるのですか?

Q:Wボゾンは何種類あるのですか?

Q:Zボゾンの反粒子はあるのですか?

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