Elektroschwache Wechselwirkung

Die elektroschwache Wechselwirkung ist die vereinheitlichte Theorie aus der Quantenelektrodynamik und der schwachen Wechselwirkung. Sie ist neben der Quantenchromodynamik ein Pfeiler des Standardmodells der Physik. Diese Vereinheitlichung wurde zunächst von S. L. Glashow, A. Salam und S. Weinberg 1967 theoretisch beschrieben, experimentell wurde die Theorie 1973 indirekt durch die Entdeckung der NC-Ströme und 1983 direkt durch den Nachweis der W^± und Z⁰-Eichbosonen bestätigt. Eine Besonderheit ist die Verletzung der Parität durch die elektroschwache Wechselwirkung.

Physik der schwachen und elektroschwachen Wechselwirkung

Für die physikalische Beschreibung ist es notwendig, die Leptonen bzw. Quarks einer Generation zu einem Dublett für linkshändige Teilchen und zu Singuletts für rechtshändige Teilchen zusammenzufassen. Die elektroschwache Wechselwirkung wirkt auf folgende Teilchendubletts und Singuletts (aus Fermionen):

Dubletts:

Leptonen
${e \choose \nu_e}_L$	${\mu \choose \nu_\mu}_L$	${\tau \choose \nu_\tau}_L$	el. Ladungen ${-1}\choose{0}$	schwache Ladungen Y: ${-1} \choose {-1}$	Isospin: ${+1/2} \choose {-1/2}$
Quarks
${u \choose d'}_L$	${c \choose s'}_L$	${t \choose b'}_L$	el. Ladungen Q: ${2/3}\choose{-1/3}$	schwache Ladungen Y: ${-1/3} \choose {-1/3}$	Isospin I: ${+1/2} \choose {-1/2}$

Singuletts (I=0):

1	2	3	el. Ladung Q	schw. Ladung Y
$ν e, R$	$ν μ, R$	$ν τ, R$	0	0
$e^-_R$	$\mu^-_R$	$\tau^-_R$	-1	-2
$u R$	$c R$	$t R$	+2/3	+4/3
$d R$	$s R$	$b R$	-1/3	-2/3

sowie auf die zugehörigen Antiteilchen und aus diesen Teilchen zusammengesetzte Systeme. Zusätzlich zur elektrischen Ladung tragen die oben aufgezählten Teilchen eine schwache (Hyper-)Ladung $Y$ . Der Strich bei d,s,b soll auf die CKM-Mischung hinweisen.

Wie bei allen Quantenfeldtheorien werden auch in der elektroschwachen Theorie die Wechselwirkungen durch Eichbosonen vermittelt. Während die schwache Wechselwirkung durch zwei Bosonen (Kopplungskonstante $g$ , Bosonen $W^\pm$ ) und die elektromagnetische Wechselwirkung durch ein Boson (Photonen) $γ$ verursacht wird, treten in der elektroschwachen – vereinheitlichten – Theorie vier Bosonen auf:

ein Photon γ, masselos, nicht geladen
zwei W-Bosonen W^±, Masse 80.(41) GeV, Ladung ±1
ein Z⁰-Boson, Masse 91.18(7) GeV , nicht geladen

Ein Auftreten neuer Effekte (hier Z-Boson), die nicht in den zugrunde liegenden Theorien beschrieben sind, ist typisch für Vereinigungen.

Das Photon verhält sich weiterhin wie im Rahmen der QED beschrieben.

Das ungeladene Eichboson Z wirkt nun auf alle in der Tabelle aufgeführten Teilchen, sowohl rechts- als auch linkshändige Teilchen bzw. sowohl auf Singuletts als auch Dubletts gemäß deren schwacher Ladung Y (nicht der elektrischen Ladung). Insbesondere bei Z spricht man daher von neutralen Strömen (NC). Dieser Anteil der elektroschwachen Wechselwirkung verändert (wie in Abb. 1,2 zu sehen) nicht die Flavours der beteiligten Fermionen. Es tritt eine – teilweise – Verletzung der Parität auf.

neutrale Ströme (Abb. 1,2) geladene Ströme (Abb. 3,4)

Komplizierter gestaltet sich die Beschreibung für W^±; diesen Anteil bezeichnet man auch als „geladene Ströme“ (CC). Hier tritt die maximale Verletzung der Parität auf: Die geladenen Ströme koppeln ausschließlich an die linkshändigen Dubletts (Abb. 3,4). Die W-Bosonen „ändern“ dabei das Flavour (z. B. wird aus einem Elektron ein Elektron-Neutrino,...). Bei Quarks ist hierbei die CKM-Mischung (benannt nach Cabibbo, M. Kobayashi, T. Masakawa) zu beachten: Beispiel: Ein u-Quark kann durch W^- nicht nur in ein d-Quark umgewandelt werden, es besteht – wenn auch mit geringerer Wahrscheinlichkeit – die Möglichkeit, ein s-Quark oder b-Quark zu erhalten. Dieses Verhalten wird dadurch verursacht, dass die Massen-Eigenzustände nicht mit den so genannten Wechselwirkungs-Eigenzuständen übereinstimmen.

Wechselwirkung und Masse

Massenbehaftete Eichbosonen können in der Feldtheorie nur mit Hilfe eines Skalarfeldes beschrieben werden, das den beteiligten Eichbosonen Masse verleiht. In der elektroschwachen Theorie ist dieses Feld das Higgs-Feld (benannt nach P. Higgs). Dabei nimmt man an, dass das skalare Higgs-Feld im frühen Universum nur ein Minimum besaß.

Durch die fortlaufende Abkühlung folgte ein spontaner Symmetriebruch und das Higgs-Feld fiel in ein neues Minimum. Die Eichbosonen der elektroschwachen Wechselwirkung erhalten durch die Ankopplung an das Higgs-Feld endliche Massen. Ein direkter Nachweis des Higgs-Teilchens ist bisher nicht gelungen.

Erweiterungen der elektroschwachen Wechselwirkung

Man versucht die elektroschwache Wechselwirkung ihrerseits mit anderen Wechselwirkungen zu vereinigen. Naheliegend ist die Erweiterung um die starke Wechselwirkung (QCD) zu einer GUT. Durch Einführen einer neuartigen Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen – der Supersymmetrie – versucht man in der so genannten SuSy-GUT das physikalische Weltbild zu ergänzen.

Elektroschwache Wechselwirkung

Physik der schwachen und elektroschwachen Wechselwirkung

Wechselwirkung und Masse

Erweiterungen der elektroschwachen Wechselwirkung

See also: Elektroschwache Wechselwirkung, Abdus Salam, Boson, Bosonen, Eichboson, Feldtheorie, Fermion, GUT, Kosmologie, Leptonen