Materie & Energie

Subatomare Teilchen - Elektroschwache Theorie: Beschreibung der schwachen Kraft

Elektroschwache Theorie : Beschreibung derschwache Kraft

Beta-Zerfall

Die starke Kraft bindet Partikel zusammen; Durch die Bindung von Quarks innerhalb von Protonen und Neutronen werden Protonen und Neutronen indirekt zu Kernen zusammengebunden. Kerne können jedoch auf natürliche Weise in dem alsRadioaktivität . Eine Art von Radioaktivität, genannt Beta - Zerfall , in dem ein Kern mit einem emittiert Elektronen und erhöht dadurch seine positive Nettoladung um eine Einheit, ist seit den späten 1890er Jahren bekannt; Aber erst mit der Entdeckung des Neutrons im Jahr 1932 konnten die Physiker richtig verstehen, was in diesem radioaktiven Prozess passiert.

Die grundlegendste Form des Beta-Zerfalls ist die Umwandlung eines Neutrons in ein Proton , begleitet von der Emission eines Elektrons, um das Gleichgewicht der elektrischen Ladung aufrechtzuerhalten. Wie Wolfgang Pauli 1930 feststellte, emittiert das Neutron außerdem ein neutrales Teilchen, das die durch den Zerfall freigesetzte Energie teilt. Dieses neutrale Teilchen hat wenig oder keine Masse und ist jetzt als Antineutrino bekannt, das Antiteilchen des Neutrinos . Ein Neutron zerfällt auf diese Weise nach einer durchschnittlichen Lebensdauer von 15 Minuten auf diese Weise. Nur innerhalb der Grenzen bestimmter Kerne verhindert das Kräftegleichgewicht den Zerfall von Neutronen und hält dadurch den gesamten Kern stabil.

Eine universelle schwache Kraft

Die Raten des nuklearen Zerfalls weisen darauf hin, dass jede am Beta-Zerfall beteiligte Kraft viel schwächer sein muss als die Kraft, die die Kerne zusammenhält. Es mag nicht intuitiv erscheinen , an eine Kernkraft zu denken , die den Kern stören kann. Die Umwandlung eines Neutrons in ein Proton, die beim Neutronenzerfall auftritt, ist jedoch vergleichbar mit der Umwandlung durch Austausch von Pionen, dieYukawa schlug vor, die nukleare Bindungskraft zu erklären. In der Tat versuchte Yukawas Theorie ursprünglich, beide Arten von Phänomenen - schwacher Zerfall und starke Bindung - durch den Austausch eines einzelnen Partikeltyps zu erklären. Um die unterschiedlichen Stärken anzugeben, schlug er vor, dass das Austauschteilchen stark an die schweren Neutronen und Protonen und schwach an die leichten Elektronen und Neutrinos koppelt .

Yukawa war ein Vorbote zukünftiger Entwicklungen bei der Vereinigung der beiden Nuklearstreitkräfte auf diese Weise. Wie weiter unten erläutert wird, hatte er jedoch die beiden falschen Kräfte gewählt. Er war auch mutig darin, zwei „neue“ Teilchen in seine Theorie aufzunehmen - das notwendige Austauschteilchen und das Neutrino, das Pauli erst fünf Jahre zuvor vorhergesagt hatte.

Pauli hatte gezögert, vorzuschlagen, dass ein zweites Teilchen beim Beta-Zerfall emittiert werden muss, obwohl dies erklären würde, warum das Elektron mit einer Reihe von Energien austreten könnte. Dies war das Vorurteil gegen die Vorhersage neuer Teilchen, das Theoretiker wie der dänische Physiker Niels Bohr vorzogen, um vorzuschlagen, dass das Gesetz der Energieerhaltung in subnuklearen Entfernungen zusammenbrechen könnte.

Bis 1935 hatte Paulis neues Teilchen jedoch einen Champion in gefunden Enrico Fermi . Fermi nannte das Teilchen das Neutrino und nahm es in seine 1934 veröffentlichte Theorie für den Beta-Zerfall auf. Wie Yukawa stützte sich Fermi auf eine Analogie mit QED; aber Fermi betrachtete die Emission des Neutrinos und des Elektrons durch das Neutron als das direkte Analogon der Emission eines Photons durch ein geladenes Teilchen, und er rief kein neues Austauschteilchen hervor. Erst später wurde klar, dass das Neutron genau genommen ein Antineutrino abgibt.

Die Theorie von Fermi und nicht die von Yukawa erwies sich als äußerst erfolgreich bei der Beschreibung des Beta-Zerfalls im Kern und wurde Ende der 1940er Jahre durch die Entdeckung des Pions und seiner Beziehung zum Myon zusätzlich unterstützt ( siehe oben Quantenchromodynamik ). Insbesondere zerfällt das Myon in einem Prozess in ein Elektron, ein Neutrino und ein Antineutrino, der genau die gleiche Grundstärke aufweist wie der Zerfall des Neutrons in ein Proton. Die Idee einer „universellen“ schwachen Wechselwirkung, die im Gegensatz zur starken Kraft gleichermaßen auf leichte und schwere Teilchen (oder Leptonen und Hadronen ) wirkt, wurde geboren.

Frühe Theorien

Die Natur der schwachen Kraft wurde 1956 als Ergebnis der Arbeit zweier chinesisch-amerikanischer Theoretiker weiter offenbart.Tsung-Dao Lee undChen Ning Yang . Lee und Yang versuchten, einige Rätsel im Zerfall der seltsamen Partikel zu lösen. Sie entdeckten, dass sie das Rätsel lösen könnten, vorausgesetzt, die schwache Kraft respektiert die als bekannt bekannte Symmetrie nichtParität .

Die Paritätsoperation ist wie das Reflektieren von etwas in einem Spiegel; Dabei werden die Koordinaten ( x , y , z ) jedes Punkts in die "Spiegel" -Koordinaten (- x , - y , - z ) geändert . Die Physiker hatten immer angenommen, dass eine solche Operation keinen Unterschied zu den Gesetzen der Physik machen würde . Lee und Yang schlugen jedoch vor, dass die schwache Kraft in dieser Hinsicht außergewöhnlich ist, und sie schlugen Wege vor, wie Paritätsverletzungen bei schwachen Interaktionen beobachtet werden könnten. Anfang 1957, nur wenige Monate nach Veröffentlichung der Theorie von Lee und Yang, wurden Experimente mit dem Zerfall von Neutronen durchgeführt.Pionen und Myonen zeigten, dass die schwache Kraft tatsächlich die Paritätssymmetrie verletzt. Später in diesem Jahr erhielten Lee und Yang für ihre Arbeit den Nobelpreis für Physik.

Paritätsverletzung und das Konzept einer universellen Form schwacher Interaktion wurden 1958 von den amerikanischen Physikern Murray Gell-Mann und Richard Feynman zu einer Theorie zusammengefasst . Sie stellten die mathematische Struktur der schwachen Wechselwirkung in dem her, was als VA bekannt ist, odervector minus axial vector, theory. This theory proved highly successful experimentally, at least at the relatively low energies accessible to particle physicists in the 1960s. It was clear that the theory had the correct kind of mathematical structure to account for parity violation and related effects, but there were strong indications that, in describing particle interactions at higher energies than experiments could at the time access, the theory began to go badly wrong.

The problems with V−A theory were related to a basic requirement of quantum field theory—the existence of a gauge boson, or messenger particle, to carry the force. Yukawa had attempted to describe the weak force in terms of the same intermediary that is responsible for the nuclear binding force, but this approach did not work. A few years after Yukawa published his theory, a Swedish theorist, Oskar Klein, proposed a slightly different kind of carrier for the weak force.

In contrast to Yukawa’s particle, which had spin 0, Klein’s intermediary had spin 1 and therefore would give the correct spins for the antineutrino and the electron emitted in the beta decay of the neutron. Moreover, within the framework of Klein’s concept, the known strength of the weak force in beta decay showed that the mass of the particle must be approximately 100 times the proton’s mass, although the theory could not predict this value. All attempts to introduce such a particle into V−A theory, however, encountered severe difficulties, similar to those that had beset QED during the 1930s and early ’40s. The theory gave infinite probabilities to various interactions, and it defied the renormalization process that had been the salvation of QED.