Physik

Elektroschwache Theorie Physik

Elektroschwache Theorie , in der Physik die Theorie, die beide beschreibtelektromagnetische Kraft und dieschwache Kraft . Oberflächlich betrachtet erscheinen diese Kräfte ganz anders. Die schwache Kraft wirkt nur über Entfernungen, die kleiner als der Atomkern sind, während sich die elektromagnetische Kraft über große Entfernungen erstrecken kann (wie im Licht von Sternen beobachtet, die über ganze Galaxien reichen) und sich nur mit dem Quadrat der Entfernung abschwächt. Darüber hinaus Vergleich der Stärke dieser beidenGrundlegende Wechselwirkungen zwischen zwei Protonen zeigen beispielsweise, dass die schwache Kraft etwa 10 Millionen Mal schwächer ist als die elektromagnetische Kraft. Eine der wichtigsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts war jedoch, dass diese beiden Kräfte unterschiedliche Facetten einer einzigen, grundlegenderen elektroschwachen Kraft sind.

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Die elektroschwache Theorie entstand hauptsächlich aus Versuchen, eine Selbstkonsistenz zu erzeugen Eichentheorie für die schwache Kraft, analog zur Quantenelektrodynamik (QED), der erfolgreichen modernen Theorie der elektromagnetischen Kraft, die in den 1940er Jahren entwickelt wurde. Es gibt zwei Grundvoraussetzungen für die Eichentheorie der schwachen Kraft. Erstens sollte es eine zugrunde liegende mathematische Symmetrie aufweisen , die als Eichinvarianz bezeichnet wird, so dass die Auswirkungen der Kraft an verschiedenen Punkten in Raum und Zeit gleich sind. Zweitens sollte die Theorie renormierbar sein ; dh es sollte keine nichtphysischen unendlichen Mengen enthalten.

In den 1960er Jahren Sheldon Lee Glashow ,Abdus Salam undSteven Weinberg entdeckte unabhängig voneinander, dass sie eine Eichinvarianten-Theorie der schwachen Kraft konstruieren konnten, vorausgesetzt, sie enthielten auch die elektromagnetische Kraft. Ihre Theorie erforderte die Existenz von vier masselosen "Boten" - oder Trägerteilchen, zwei elektrisch geladenen und zwei neutralen, um die einheitliche elektroschwache Wechselwirkung zu vermitteln. Der kurze Bereich der schwachen Kraft zeigt jedoch an, dass sie von massiven Partikeln getragen wird. Dies impliziert, dass die zugrunde liegende Symmetrie der Theorie durch einen Mechanismus verborgen oder "gebrochen" wird, der den in schwachen Wechselwirkungen ausgetauschten Teilchen Masse verleiht, nicht aber den in elektromagnetischen Wechselwirkungen ausgetauschten Photonen. Der angenommene Mechanismus beinhaltet eine zusätzliche Interaktion mit einem ansonsten unsichtbaren Feld, dem so genanntenHiggs-Feld , das den gesamten Raum durchdringt.

In den frühen 1970er Jahren Gerardus 't Hooft undMartinus Veltman lieferte die mathematische Grundlage für die Renormierung der zuvor von Glashow, Salam und Weinberg vorgeschlagenen einheitlichen elektroschwachen Theorie. Die Renormierung beseitigte die physikalischen Inkonsistenzen, die früheren Berechnungen der Eigenschaften der Trägerteilchen inhärent waren , ermöglichte genaue Berechnungen ihrer Massen und führte zu einer allgemeineren Akzeptanz der elektroschwachen Theorie. Die Existenz der Kraftträger, der neutralen Z-Teilchen und der geladenen W-Teilchen , wurde 1983 experimentell bei hochenergetischen Proton-Antiproton-Kollisionen bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN ). Die Massen der Teilchen stimmten mit ihren vorhergesagten Werten überein.

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Die Eigenschaften der einheitlichen elektroschwachen Kraft, einschließlich der Stärke der Wechselwirkungen und der Eigenschaften der Trägerteilchen, sind im Standardmodell der Teilchenphysik zusammengefasst .