Elektroschwache Wechselwirkung

Die elektroschwache Wechselwirkung bildet die Grundlage einer vereinheitlichten Theorie aus Quantenelektrodynamik und schwacher Wechselwirkung im Rahmen des Standardmodells. Sie wurde in den 1960er Jahren von den Physikern Sheldon Glashow,^[1] Steven Weinberg^[2] und Abdus Salam^[3] eingeführt, um die elektromagnetische und schwache Wechselwirkung in einer Theorie zusammenzufassen. Sie erhielten dafür 1979 den Nobelpreis für Physik, nachdem die Theorie in den 1970er Jahren experimentell bestätigt worden war.

Während in der Quantenelektrodynamik die Wechselwirkung durch Austausch eines masselosen Photons beschrieben wird und die quantenfeldtheoretische Version der klassischen Elektrodynamik ist, erklärt die vereinheitlichte Theorie die geringe Reichweite der schwachen Wechselwirkung, die z. B. in der Neutrino-Physik und beim Betazerfall wirkt, damit, dass hier sehr viel schwerere Teilchen ausgetauscht werden: Das geladene W-Boson und das neutrale Z-Boson mit Massen in der Größenordnung von ${\displaystyle 10^{2}}$ Giga-Elektronenvolt (GeV).

Die elektroschwache Theorie ist außerdem ein Beispiel für eine Eichfeldtheorie mit einer Eichgruppe, die dem Produkt ${\displaystyle SU(2)\times U(1)}$ entspricht. Dabei steht ${\displaystyle SU(2)}$ für die zweidimensionale Spezielle unitäre Gruppe und ${\displaystyle U(1)}$ für die eindimensionale unitäre Gruppe. Der zweidimensionale Matrixcharakter ist ein Ausdruck davon, dass der Anteil der schwachen Wechselwirkung an der elektroschwachen Wechselwirkung verschiedene Elementarteilchen ineinander umwandelt. Dagegen entspricht ${\displaystyle U(1)}$ nur einem Phasenfaktor (der Multiplikation mit einer komplexen Zahl) vor der Wellenfunktion.

Am einfachsten lässt sich die Wirkung der elektroschwachen Wechselwirkung durch Feynman-Diagramme veranschaulichen. Zum Beispiel werden beim Betazerfall des Neutrons ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino erzeugt. Dies kann beschrieben werden über den Austausch eines negativ geladenen W-Bosons, das im Nukleon ein d-Quark in ein u-Quark umwandelt und auf der anderen Seite bei den Leptonen ein Antineutrino in ein Elektron (siehe Abbildung rechts).

1. ↑ Sheldon Glashow, Partial-Symmetries of Weak Interactions, Nuclear Physics B, Band 22, 1961, S. 579
2. ↑ Steven Weinberg, A model of leptons, Phys. Rev. Lett., Band 19, 1967, S. 1264–1266
3. ↑ Salam gibt als letzten Schritt zur elektroschwachen Theorie (gleichzeitig mit Weinberg) seinen Beitrag Weak and Electromagnetic Interaction zu N. Svartholm (Hrsg.), Elementary Particle Theory, Proc. 8th Nobel Symposium, Almqvist und Wiksell, Stockholm 1968, an. Siehe Salam, Gauge unification of fundamental forces, Reviews of Modern Physics, Band 52, 1980, S. 529