Modèle standard des particules
W^± et Z⁰ : bosons de jauge de l'interaction faible

Les bosons, en tant que particules élémentaires, représentent des quanta d'énergie-impulsion qui constituent des interactions élémentaires ou fondamentales.

• Les bosons de jauge (en anglais " gauge boson ") de spin $1$ agissent comme porteurs ou vecteurs d'une interaction élémentaire. Ce sont :
  • les gluons, boson de jauge de l'interaction forte,
  • les photons, bosons de jauge de l'interaction électromagnétique,

  • 

    les bosons W^± et Z⁰, bosons de jauge de l'interaction faible.
• Le boson de Higgs - boson scalaire de spin $0$ - donne une masse aux particules (le graviton est encore hypothétique).

L'interaction faible (ou force faible et même force nucléaire faible) est responsable de la désintégration radioactive de particules subatomiques et est à l'origine de la fusion nucléaire dans les étoiles. (cf. nucléosynthèse stellaire).

• Elle affecte toutes les catégories de fermions connues comme les électrons, les quarks… ;
• C'est la seule interaction qui agit sur les neutrinos.

Bosons de jauge W^± et Z⁰

Les bosons W^± et Z⁰ ont plusieurs caractéristiques.

• Le boson W⁺ est l'antiparticule de W^- ;
• Le boson Z⁰ est sa propre antiparticule.

Les bosons W^± sont impliqués dans l'absorption et l'émission de neutrinos.

• Au cours de ces processus, la charge du boson W provoque l'émission ou l'absorption d'électrons ou de positrons, provoquant ainsi la transmutation nucléaire, i.e. la conversion d'un élément chimique ou d'un isotope en un autre.
• Ils peuvent donc changer les charges, i.e. les nombres quantiques additifs.

Le boson Z⁰ n'est pas impliqué dans le processus précédent, mais dans celui de transfert d'énergie-impulsion ou de spin : on parle de diffusion élastique, i.e. l'énergie cinétique d'une particule est conservée, mais son sens de propagation est modifiée, ou de collision élastique.

Remarque : les neutrinos peuvent subir aussi bien une diffusion élastique par l'échange de boson Z⁰, qu'inélastique par celui des bosons W^± (diffusion inélastique profonde).

Propriétés des bosons 
 de jauge W^± et Z⁰

Masse des bosons W^± et Z⁰

Leur masse est très élevée : 80400 MeV/c² pour les bosons W, et 91200 MeV/c² pour le boson Z (semblable à l'atome de fer).

• Ces masses sont engendrées par le boson de Higgs via le mécanisme de Higgs.
• Ces masses élevées donnent à l'interaction faible une portée est très courte d'environ 10^-17 m alors que celle de l'interaction forte portée par les gluons est d'environ 10^-15 m.

Les interactions électromagnétiques et la gravitation ont une portée infinie car leurs particules sont sans masse.

Spin et isospin faible des bosons W^± et Z⁰

Leur spin est de 1, comme celui de tous les bosons.

L'isospin faible est un nombre quantique relatif à l'interaction faible lié au groupe de transformation de jauge $ SU_L(2)$ qui a trois générateurs.

Les bosons ont un isospin faible de :

• $T_3=0$ pour le Z⁰ (cf. discussion sur W⁰ et $B_\mu$ dans la symétrie de la théorie électrofaible).
• $T_3=1$ pour les W avec trois projections

L'isospin faible est conservé lors des désintégrations.

• W⁺, d'isospin faible $T_3=1$ est émis lors d'interactions dans lesquelles $T_3=+1/2\rightarrow T_3=-1/2$ ;
• W^-, d'isospin faible $T_3=-1$ est émis lors d'interactions dans lesquelles $T_3=-1/2\rightarrow T_3=+1/2$ ;
• W⁰, d'isospin faible $T_3=0$ est émis lors d'interactions dans lesquelles $T_3$ n'est pas modifié.

L'isospin est en relation avec l'hypercharge faible par la formule : $Q=T_3+\frac {Y_W}{2}$

Désintégrations des bosons W^± et Z⁰

Les bosons W se désintègrent en :

• un lepton et un neutrino : $e^++\nu_e$, $\mu^++\nu_\mu$ ou $\tau^++\nu_\tau$ ;
• un quark et un antiquark down : $u\bar d$ - ou $\bar s$ ou $\bar b$ - ou $c\bar d$ - ou $\bar s$ ou $\bar b$ -.

Les bosons Z⁰ se désintègrent en un fermion et son antiparticule (article)

Charge électrique des bosons W^± et Z⁰

1. Les bosons W^± sont porteurs d'une charge électrique ($e^-$ et $e^+$) et sont couplés à un courant électrique faible :

$(J^{em})^\mu=\bar\psi\gamma^\mu\psi$ où $\psi$ est un spineur de Dirac, $\bar\psi$, son conjugué, et $\gamma^\mu$, les matrices de Dirac.

Si on reprend l'interaction de Fermi, on peut la décrire dans le modèle de Glashow-Weinberg-Salam qui montre une interaction à 3 points avec un couplage $g_W$ par l'interaction du boson W.

• $n\;\rightarrow\;p+W^-\rightarrow\;p+e^-+\bar\nu_e$ ou $n\;\rightarrow\;p+W^+\rightarrow\;p+e^++\nu_e$
• dans laquelle les bosons $W^\pm$ sont chargés et virtuels.

La constante de couplage est donnée par :

• $G_F=\dfrac{\sqrt2g^2}{8m^2_W}$ où $g$ est la nouvelle constante de couplage avec $m_W$ la masse du boson W, $1/m^2_W$ est le propagateur du boson.
• $G_F=1,16637\cdot10^{-5}\;GeV^{-2}$ est la constante de Fermi, force de l'interaction faible, qui est retrouvée pour des énergies faibles ou des grandes distances.

2. Pour le boson Z⁰, de charge électrique nulle, le courant est neutre et il n'a été découvert qu'en 1973 dans la chambre à bulles, en particulier, Gargamelle du CERN, ce qui a ouvert la voie à la théorie électrofaible.

Les neutrinos $\nu_\mu$ interagissent avec la matière en l'absence de charge :

$\nu_\mu+N\;\rightarrow\;\nu_\mu+X$, où $N$ est un nucléon et $X$ un hadron.

Boson de Higgs