Sexl Physik 8, Schulbuch

| 112 2.7 Schwache Wechselwirkung In der kosmischen Strahlung fand man 1937 das Myon, einen schweren Zwilling des Elektrons. Es ist instabil und zerfällt in einem β -Zerfall μ – ¥ e – + – ν e + – ν μ . Im Jahr 1975 wurde ein weiteres schweres Lepton in der Reaktion e + +e – ¥ τ + + τ – das Tauon ( τ ) entdeckt, das 3500mal schwerer als das Elektron ist. Zu jedem gela- denen Lepton (Elektron, Myon, Tauon) hat man die Existenz von zugehörigen, elek- trisch ungeladenen Partnern, den Neutrinos ν e , ν μ , ν τ nachgewiesen. Man vermu- tet, dass die Neutrinos eine unterschiedliche, aber sehr kleine Masse – viel kleiner als die Masse des Elektrons – besitzen. Es ergibt sich eine Parallelität zwischen Leptonen und Quarks, wenn man sie in „Generationen“ anordnet: 1. Generation 2. Generation 3. Generation ν e ν μ ν t Lepton e μ τ Lepton u c t Quark d s b Quark Die gewöhnliche Materie besteht aus den Teilchen der 1. Generation. Die anderen Generationen spielten in der Entwicklung des Universums kurzfristig eine Rolle, als bei sehr hohen Temperaturen Quarks und Gluonen noch keine Hadronen bilden konnten. Die geladenen Teilchen der 2. und 3. Generation zerfallen in Teilchen der 1. Generation, da sie mehr Masse haben. Mit den heutigen Beschleunigern lassen sich alle Quarks und Leptonen erzeugen. Gluonen übertragen die starke Farbkraft zwischen den Quarks, Photonen die elekt- romagnetische Wechselwirkung zwischen elektrisch geladenen Teilchen. Wodurch werden der β -Zerfall und alle anderen schwachen Wechselwirkungen bewirkt? Der β -Zerfall transformiert ein d- Quark in ein u- Quark, er ändert die Flavor-Ei- genschaft von Quarks und Leptonen. Welche Überträger-Teilchen vermitteln die schwache Wechselwirkung? W -Teilchen („weak bosons“) transformieren die Quarksorten ( u, d, s , …) bzw. die Leptonsorten unter einander, z. B. d ¥ u+W – , bzw. μ – ¥ ν μ +W – . Damit stellt sich der β -Zerfall des Neutrons als Prozess in zwei Schritten dar: udd ¥ uud+W – , W – ¥ e – + – ν e , oder in kurzer Form n ¥ p+e – + – ν e . Neben den W + und W – gibt es ein neutrales Z 0 , wodurch auch Reaktionen der Art e + +e – ¥ Z 0 ¥ ν μ + – ν μ möglich werden. Die W- und Z- Teilchen treten im β -Zerfall als virtuelle Teilchen auf, in p –p- und e + e – -Kollisionen bei hohen Energien werden sie als reelle Teilchen erzeugt. Ihre Massen sind etwa hundertmal größer als die Protonmasse. Ihre Le- bensdauer beträgt rund 10 –24 s . Die von W + , W – und Z 0 vermittelten Wechselwirkungen werden als schwache Wechselwirkung bezeichnet. u d u u d d W – v e – 112.1 Der β -Zerfall des Neutrons wird als Emission eines W – -Bosons durch ein d -Quark erklärt, das sich in ein u-Quark umwandelt. Das W – zerfällt in Elektron und Antineutrino. Z 0 u, d, ..., e, µ , ... u, d, ..., e, µ , ... ν ν 112.2 Neutrinos können an Quarks und Leptonen (e, ν , μ , …) streuen, indem sie ein virtuelles Z 0 austauschen. Die Entdeckung dieser Möglichkeit revolutionierte die Theorie der schwachen Wechselwirkungen. Selbst die Theorie der Sternentwicklung war betroffen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv