W와 Z 보손

W 보손과 Z 보손은 약한 상호작용을 매개하는 입자이다. 위크 보손(weak boson)으로도 불린다. $W^{+}, W^{-}, Z^{0}$ 의 3가지 종류가 있으며 스핀이 1인 벡터 보손이다. W 보손의 질량은 80.385(15) GeV, Z 보손의 질량은 91.1876(21) GeV 이다.[1]

1967년 살람과 와인버그의 이론에서 예측된 게이지 보손이며 1983년 CERN의 초 양성자 싱크로트론(Super Proton Synchrotron, SPS)에서 발견되었다. 살람과 와인버그의 이론에서 중요한 역학을 하는 입자이며 표준 모형의 기본 입자 중 하나이다.

W 보손은 베타붕괴 과정에 관여되어있다. 엔리코 페르미의 베타붕괴 이론에서는 전자, 반 전자 중성미자, 양성자, 중성자가 한 점에서 상호작용하며 높은 에너지로 실험할 때에는 잘 들어맞지 않는 것이 알려져 있다. 광자가 전자기력을 매개하듯이 맛깔(flavor)을 매개하는 무거운 입자를 가정하면 한 지점에서 3개의 입자가 상호작용하는 자연스러운 이론을 만들 수 있다. 베타붕괴를 중성자의 아래 쿼크가 위 쿼크로 변하여 양성자가 되는 과정으로 생각 할 때 아래 쿼크와 위 쿼크 사이의 맛깔(flavor) 차이를 매개해 주는 것이 W 보손이다. W 보손은 전하를 띤 렙톤과 중성미자 사이에서 맛깔을 매개할 수 있으며 그림에서 연결된 종류의 쿼크들 사이에서 맛깔을 매개한다.

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$SU(2)$와 $U(1)$의 게이지 보손을 $A^a_\mu$와 $B_\mu$로 쓰고 그 결합상수(coupling constant)를 $g, g'$로 쓰자. 그러면 와인버그 살람 이론에 의해 게이지 보손들의 질량 고유상태(eigenstate)는 다음과 같이 나타난다. 단 v는 진공기댓값이다.

$\displaystyle W^{\pm}_\mu=\frac{1}{\sqrt{2}}(A^1_\mu\mp i A^2_\mu)$, $\displaystyle m_W=g\frac{v}{2}$
$\displaystyle Z^{0}_\mu=\frac{1}{\sqrt{g^2+{g'}^2}}(gA^3_\mu- g' B_\mu)$, $\displaystyle m_Z=\sqrt{g^2+{g'}^2}\frac{v}{2}$
$\displaystyle A_\mu=\frac{1}{\sqrt{g^2+{g'}^2}}(g'A^3_\mu+ g B_\mu)$, $\displaystyle m_A=0$

마지막 줄의 $A_\mu$는 전자기학의 벡터 퍼텐셜이 되고 광자를 나타내게 된다. 보이듯이 Z 보손은 광자와 비슷한 방식으로 힘을 매개한다. 하지만 Z 보손이 매개하는 중성 흐름(neutral current)은 광자의 상호작용과 차이점이 있다. 예를 들어 중성미자는 중성이기 때문에 광자와 상호작용하지 않지만 Z 보손과는 약한 상호작용을 일으킨다.