Schwache Wechselwirkung

Die schwache Wechselwirkung ist eine der vier Grundkräfte der Physik. Sie ist keine anziehende oder abstoßende Kraft, sondern wandelt Teilchen ineinander um; so ist sie unter anderem für den Beta-minus Zerfall verantwortlich, bei dem sich ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino umwandelt.

Die schwache Wechselwirkung wirkt zwischen allen Quarks und Leptonen, und vermittelt Umwandlungen und Austausch von Energie und Impuls zwischen ihnen. Sie ist um einen Faktor 10⁹ schwächer als die starke Wechselwirkung, und aufgrund ihrer massiven Austauschbosonen nur von geringer Reichweite (kleiner als ein Atomkernradius).

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.

Wie die elektromagnetische Wechselwirkung und die starke Wechselwirkung wird die schwache Wechselwirkung durch den Austausch von Bosonen beschrieben. Die Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung sind das Z-Boson sowie die beiden (positiv bzw. negativ geladenen) W-Bosonen.

Die schwache Wechselwirkung verletzt die Parität, wie im Wu-Experiment nachgewiesen wurde.

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:

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

Unterscheidung der 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:

	vermittelt durch
beteiligt	$W^{+},W^{-}$	$Z^{0}$
nur Quarks	"hadronisch geladen"	"hadronisch neutral"
Quarks und Leptonen	"semileptonisch geladen"	"semileptonisch neutral"
nur Leptonen	"leptonisch geladen"	"leptonisch neutral"

Die Prozesse

1. 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

$\tau ^{-}+\nu _{\mu }\rightarrow \nu _{\tau }+\mu ^{-}$

2. 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 Beta-minus Zerfall des Neutrons, bei welchem sich ein Down-Quark des Neutrons in ein Up-Quark umwandelt, wodurch das Neutron zu einem Proton wird:

Quarkdarstellung: $d^{-1/3}\rightarrow u^{+2/3}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$

Hadronendarstellung: $n\rightarrow p+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$,

wobei die beteiligten Teilchen folgendermaßen aufgebaut sind: $n=udd$, $p=uud$

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).

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

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 Flavour zu einem Anti-Up-Quark.