Schwache Wechselwirkung
Die schwache Wechselwirkung ist eine der vier Grundkräfte der Natur. Für Neutrinos ist sie die einzige, die eine Rolle spielt — und deshalb der Grund, warum diese Teilchen so schwer zu fassen sind.
Vier Kräfte, eine Zuständigkeit
Die Schwerkraft hält Planeten auf Bahnen. Der Elektromagnetismus bindet Elektronen an Kerne. Die starke Wechselwirkung hält Atomkerne zusammen.
Die schwache Wechselwirkung tut etwas anderes: Sie verwandelt Teilchen ineinander. Sie macht aus einem Neutron ein Proton, aus einem Myon ein Elektron, aus einem Quark ein anderes.
Sie ist damit die einzige Kraft, die die Identität eines Teilchens ändern kann. Alle anderen schieben, ziehen oder binden — diese verwandelt.
Ein Neutrino trägt weder elektrische noch Farbladung. Für Elektromagnetismus und starke Kraft ist es unsichtbar. Es bleibt allein die schwache Wechselwirkung — und die Schwerkraft, die bei so geringer Masse ohne Bedeutung ist.
Warum die Sonne langsam brennt
Der wichtigste Dienst dieser Kraft ist zugleich der unauffälligste.
Der erste Schritt der Kernfusion in der Sonne besteht darin, dass zwei Protonen zu einem Deuteriumkern verschmelzen. Dafür muss sich eines der beiden in ein Neutron umwandeln — ein Vorgang der schwachen Wechselwirkung.
Und weil diese Kraft so träge ist, dauert das. Ein einzelnes Proton im Sonnenkern wartet im Mittel Milliarden Jahre, bis dieser Schritt gelingt, obwohl es unablässig mit anderen Protonen zusammenstößt.
Genau diese Trägheit macht die Sonne zu einem Kraftwerk statt zu einer Bombe. Wäre die schwache Wechselwirkung stärker, wäre die Sonne längst ausgebrannt — und es hätte nie Zeit für Leben gegeben.
Warum sie schwach ist
Der Name führt in die Irre. Die Kopplungsstärke der schwachen Kraft ist gar nicht so gering. Was sie schwach erscheinen lässt, ist die Masse ihrer Botenteilchen.
Kräfte werden durch Austauschteilchen vermittelt. Beim Elektromagnetismus ist das das masselose Photon, das beliebig weit reicht. Bei der schwachen Wechselwirkung sind es die W- und Z-Bosonen, etwa achtzigmal so schwer wie ein Proton.
Ein so schweres Austauschteilchen kann nur für eine winzige Zeitspanne existieren und kommt entsprechend kaum weit. Die Reichweite liegt bei rund 10⁻¹⁸ Metern — einem Tausendstel des Protonendurchmessers.
Zwei Teilchen müssen sich also außerordentlich nahe kommen, damit etwas geschieht. Genau das macht den Wirkungsquerschnitt so klein.
Bei sehr hohen Energien verliert dieser Nachteil an Gewicht. Dort wird die schwache Kraft tatsächlich vergleichbar stark wie der Elektromagnetismus — was kein Zufall ist, sondern der Grund für ihre Vereinheitlichung.
Zwei Arten von Vorgängen
Geladene Ströme laufen über W-Bosonen. Dabei wechselt ein Teilchen seine Identität: Ein Elektron-Neutrino wird zu einem Elektron, ein Neutron zu einem Proton.
Neutrale Ströme laufen über das Z-Boson. Hier bleibt jedes Teilchen, was es ist; nur Energie und Impuls werden übertragen. Entdeckt wurden diese Vorgänge 1973 mit der Blasenkammer Gargamelle.
Der Unterschied ist für den Nachweis entscheidend. Weil nur Elektron-Neutrinos über geladene Ströme mit gewöhnlicher Materie reagieren, die neutralen Ströme aber allen Arten offenstehen, konnte das Sudbury Neutrino Observatory beide Kanäle gegeneinander vergleichen — und so das solare Neutrinoproblem lösen.
Die Besonderheit: links und rechts
Die schwache Wechselwirkung ist die einzige Kraft, die zwischen links und rechts unterscheidet. Sie wirkt nur auf linkshändige Teilchen und rechtshändige Antiteilchen.
Nachgewiesen hat das 1956 Chien-Shiung Wu. Die Folge für das Neutrino beschreibt die Seite zur Helizität.
Diese Einseitigkeit ist bis heute nicht erklärt. Sie folgt aus keinem tieferen Prinzip, sondern ist eine gemessene Eigenschaft, die man in die Theorie einbauen muss — einer der wenigen Punkte, an denen das Standardmodell schlicht beschreibt statt zu begründen.
Vereinheitlichung
In den 1960er Jahren zeigten Glashow, Salam und Weinberg, dass die schwache Wechselwirkung und der Elektromagnetismus zwei Seiten derselben Sache sind. Bei sehr hohen Energien verschmelzen sie zur elektroschwachen Wechselwirkung.
Dass sie uns heute so verschieden erscheinen, liegt am Higgs-Mechanismus: Er gibt den W- und Z-Bosonen ihre Masse und lässt das Photon masselos. Aus einer einzigen Kraft werden dadurch zwei, die unterschiedlicher kaum wirken könnten — eine mit unendlicher Reichweite, eine mit fast keiner.
Verwandte Begriffe
- W- und Z-Boson — die Botenteilchen
- Wirkungsquerschnitt — warum so wenig passiert
- Helizität — die Händigkeit
- Gargamelle — der Nachweis neutraler Ströme
Quellen
- S. Weinberg: A Model of Leptons, Physical Review Letters 19, 1264 (1967).
- Particle Data Group: Review of Particle Physics, Abschnitt Electroweak Model.