Hoe ontstaat een W-boson als een neutron in een proton vervalt en wat veroorzaakt dat verval?

Het neutron is, zoals de meeste elementaire deeltjes, niet stabiel. Het heeft echter een, vergeleken met andere elementaire deeltjes, zeer lange halfwaardetijd van 886 seconden.
Dat betekent dus dat een neutron gemiddeld na ongeveer een kwartier spontaan vervalt. Uit vroegere metingen was al gebleken dat daarbij een elektron en een antineutrino gevormd werden, terwijl het neutron veranderde in een proton. Deze drie deeltjes zijn voor zover we weten wel stabiel.
Met grote deeltjesversnellers kunnen steeds meer details van dergelijke processen bestudeerd worden. Zo weten we al dat neutronen en protonen bestaan uit drie quarks en dat het verval verklaard kan worden doordat één d-quark verandert in een u-quark.
Simon van der Meer en Carlo Rubbio hebben, met behulp van de deeltjesversneller van CERN, ontdekt dat het d-quark niet direct een elektron en een antineutrino uitzendt, maar dat het eerst een W-boson vormt. Een W-boson is zeer instabiel en vervalt binnen 3×10−25 s meestal tot een elektron en een antineutrino. Van der Meer en Rubbio hebben voor deze ontdekking inderdaad de Nobelprijs ontvangen.
Van het tempo waarmee een bepaald instabiel deeltje vervalt kan alleen statistisch iets gezegd worden. Dat het neutrino een halfwaardetijd heeft van 886 s en het W-boson 3×10−25 s betekent dat na zoveel tijd de kans dat het deeltje vervallen is 50% bedraagt. Die kans wordt dan weer bepaald door de waarde van koppelingsconstanten. Waarom koppelingsconstanten een bepaalde waarde hebben, dat weet niemand.
Maar over het tijdstip waarop een bepaald individueel deeltje vervalt kan geen zinnig woord gezegd worden. Het is een quantum-toevalsproces dat geen oorzaak heeft. Individualiteit is trouwens sowieso een problematisch begrip voor elementaire deeltjes.
Dat het neutron instabiel is wil niet zeggen dat alle atoomkernen die neutronen bevatten (en dat zijn ze allemaal behalve het waterstofatoom) ook instabiel zijn. Immers, het door het vervallen neutron uitgezonden elektron kan worden ingevangen door een van de aanwezige protonen, dat daardoor weer een neutron wordt. Er vinden in een atoomkern voortdurend uitwisselingen van W-bosonen plaats tussen de protonen en neutronen. En omdat dit alles niet gemeten kan worden vanwege de onbepaaldheid van deze deeltjes, is de atoomkern in feite een superpositie van allerlei mogelijke configuraties van neutronen en protonen. Met als enige restrictie dat "van buitenaf gezien" het aantal neutronen en het aantal protonen vastligt.