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Schwache_Wechselwirkung

Schwache Wechselwirkung

Die schwache Wechselwirkung (auch schwache Kernkraft genannt) ist eine der vier Grundkräfte der Physik. Im Gegensatz zu den aus dem Alltag bekannten Wechselwirkungen der Gravitation und des Elektromagnetismus wirkt sie jedoch nur auf sehr kleinen Abständen und somit nur zwischen mikroskopischen Teilchen. Dabei kann sie wie andere Kräfte für Energie- und Impuls-Austausch sorgen, wirkt aber vor allem bei Zerfällen oder Umwandlungen der beteiligten Teilchen, etwa dem Betazerfall bestimmter radioaktiver Atomkerne.

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Überblick

Die schwache Wechselwirkung wirkt zwischen allen (linkshändigen) Quarks und (linkshändigen) Leptonen. Sie ist 10¹¹ mal schwächer als die starke Wechselwirkung. Wie diese und die elektromagnetische Wechselwirkung wird sie durch den Austausch von Eichbosonen beschrieben. Diese Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung sind das neutrale Z-Boson sowie die beiden positiv bzw. negativ geladenen W-Bosonen. Da diese massiv sind, ist die schwache Kraft nur von geringer Reichweite (kleiner als ein Atomkernradius). Die schwache Wechselwirkung verletzt die Paritätserhaltung, wie im Wu-Experiment nachgewiesen wurde.

Eine Quantenfeldtheorie, die die schwache Wechselwirkung zusammen mit der elektromagnetischen Wechselwirkung beschreibt, ist das Glashow-Weinberg-Salam-Modell. Man spricht in dieser Formulierung auch von zwei Aspekten der elektroschwachen Wechselwirkung, die durch den Higgs-Mechanismus vereinheitlicht werden.

Crossing-Symmetrie

Zur Beschreibung eines schwachen Prozesses verwendet man üblicherweise die Schreibweise einer Reaktionsgleichung, wie

$a + b \rightarrow c + d$

Die Teilchen a und b werden also in einem Prozess zu den Teilchen c und d umgewandelt. Ist dieser Vorgang möglich, so sind auch alle anderen möglich, die nach der Vertauschungsregel des Kreuzens (engl. crossing) entstehen. Ein Teilchen kann also auf die andere Seite der Reaktionsgleichung geschrieben werden, indem dort sein entsprechendes Antiteilchen notiert wird:

$b \rightarrow c + d + \bar a$

Prozesse

Man unterscheidet schwache Prozesse sowohl danach, ob Leptonen und/oder Quarks an ihnen beteiligt sind, als auch danach, ob der Prozess durch ein elektrisch geladenes W-Boson ( $W +, W -$ ) oder das neutrale $Z 0$ Boson vermittelt wurde. Die Bezeichnungen schwacher Prozesse lauten wie folgt:

Beteiligt	Vermittelt durch
	$W +, W -$	$Z 0$
nur Quarks	„hadronisch geladen“	„hadronisch neutral“
Quarks und Leptonen	„semileptonisch geladen“	„semileptonisch neutral“
nur Leptonen	„leptonisch geladen“	„leptonisch neutral“

Leptonischer Prozess

Ein elementarer geladener leptonischer Prozess ist ein Zerfallsprozess eines Leptons L in ein Lepton L' unter Beteiligung ihrer entsprechenden Neutrinos bzw. Antineutrinos ( $\nu_L, \bar\nu_L$ ): $L \rightarrow \nu_L + L^\prime + \bar\nu_{L^\prime}$

Als Beispiel möge der Zerfall von Tauonen dienen:

$\tau^- \rightarrow \nu_\tau + e^- + \bar\nu_e$

sowie

$\tau^- \rightarrow \nu_\tau + \mu^- + \bar\nu_\mu$

wie auch die damit verbundenen Streuprozesse

$\tau^- + \bar\nu_\tau \rightarrow e^- + \bar\nu_e$

sowie

$\tau^- + \nu_\mu \rightarrow \nu_\tau + \mu^-$

Semileptonischer Prozess

Bei einem elementaren geladenen semileptonischen Prozess sind neben Leptonen auch Quarks bzw. Antiquarks ( $q_1,\bar q_2$ ) beteiligt: $q_1 + \bar q_2 \rightarrow L + \bar\nu_L$

Ein Beispiel für einen semileptonischen Prozess ist der bereits genannte β^--Zerfall des Neutrons, bei welchem sich ein Down-Quark des Neutrons in ein Up-Quark umwandelt, wodurch das Neutron zu einem Proton wird:

Quarkdarstellung: $d^{-\frac 1 3} \rightarrow u^{+\frac 2 3} + e^- + \bar \nu_e$

Hadronendarstellung: $n \rightarrow p + e^- + \bar \nu_e$ , wobei die beteiligten Teilchen folgendermaßen aufgebaut sind: $n = u d d$ , $p = u u d$

Der hier gezeigte Prozess wird durch ein $W -$ Boson vermittelt, weil das negativ geladene Down-Quark in ein positiv geladenes Up-Quark umgewandelt wird – die negative Ladung muss daher durch ein $W -$ Boson „weggetragen“ werden. $d - 1 / 3$ und $u + 2 / 3$ müssen also Quarks sein, deren Ladung zusammen gerade $- e$ ist. Da sich ein Neutron aus zwei Down- und einem Up-Quark aufbaut, jedoch nur eines umgewandelt wird, sind zwei von ihnen unbeteiligt. Solche unbeteiligten Quarks nennt man daher „Zuschauerquarks“ (engl. spectator quarks).

Hadronischer Prozess

Bei einem elementaren geladenen hadronischen (bzw. nichtleptonischen) Prozess sind nur Quarks bzw. Antiquarks beteiligt: $q_1 + \bar q_2 \rightarrow q_3 + \bar q_4$

Der Kaon-Zerfall ist ein gutes Beispiel für einen hadronischen Prozess

Quarkdarstellung: $\bar s^{+\frac 1 3} \rightarrow u^{+\frac 2 3} + \bar u^{-\frac 2 3}+ \bar d^{+\frac 1 3}$

Hadronendarstellung: $K^+ \rightarrow \pi^+ + \pi^0$ , wobei die beteiligten Teilchen folgendermaßen aufgebaut sind: $K^+ = u\bar s$ , $\pi^+ = u\bar d$ , $\pi^0 = u\bar u$

Bei diesem Prozess ist das Up-Quark des Kaons wieder ein unbeteiligter Zuschauer. Die positive Ladung des Strange-Antiquarks wird durch ein $W +$ Boson weggetragen. Durch diesen Austausch ändert das Quark seinen Flavor zu einem Anti-Up-Quark.

Forschungsgeschichte

Das Z-Boson und damit der schwache Prozess wurde 1973 mit dem Gargamelle-Experiment am CERN erstmals nachgewiesen.

Kategorie: Kernphysik

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