Z-Boson-Zerfall
Das Z-Boson ist der neutrale Träger der schwachen Wechselwirkung und zerfällt in Fermion-Antifermion-Paare. Mit einer Masse von 91,2 GeV ist es eines der schwersten bekannten Elementarteilchen. Die präzise Messung seiner Zerfallsbreite am LEP-Beschleuniger am CERN lieferte einen der wichtigsten Beweise: Es gibt genau drei leichte Neutrino-Generationen.
Das Z-Boson wurde 1983 am CERN von den Experimenten UA1 und UA2 entdeckt – einer der triumphalen Erfolge der elektroschwachen Vereinigung. Es ist das einzige schwache Eichboson ohne Ladung und koppelt an alle Quarks und Leptonen. Die Masse von 91,188 GeV ist eine der am präzisesten gemessenen physikalischen Größen (Unsicherheit < 2 MeV). Z-Bosonen entstehen bei Proton-Antiproton- oder Elektron-Positron-Kollisionen bei ausreichend hoher Schwerpunktsenergie.
Am LEP-Beschleuniger (1989–2000) wurden durch gezielte Resonanz bei √s = 91,2 GeV über 17 Millionen Z-Bosonen erzeugt. Die gemessene totale Zerfallsbreite von 2,495 GeV setzt sich aus Partial-Breiten für sichtbare Zerfälle (in Quark- und Leptonpaare) und unsichtbare (in Neutrinos) zusammen. Das Ergebnis: Die unsichtbare Breite entspricht exakt 2,984 ± 0,008 Neutrino-Generationen – praktisch drei. Ein viertes leichtes Neutrino ist damit ausgeschlossen.
Im LHC dient der Z-Boson-Zerfall in zwei entgegengesetzte Leptonen als goldener Kanal für Kalibration und Luminositätsmessung. Weil Masse und Zerfallseigenschaften extrem präzise bekannt sind, kann jede Abweichung auf Detektorfehler oder neue Physik hinweisen. Die Drell-Yan-Produktion (qq̄ → Z⁰ → l⁺l⁻) ist ein Standardprozess mit berechenbarem Wirkungsquerschnitt auf NNLO-Niveau. Zukünftige Lepton-Collider wie FCC-ee planen, über 10¹² Z-Bosonen zu erzeugen – der »Tera-Z« – für Tests des Standardmodells bei bisher unerreichter Präzision.