Die Flavour-Änderung der Quarks

Darstellung der schwachen Wechselwirkung
An der schwachen Wechselwirkung nehmen alle Bausteine teil, weil sie alle eine schwache Ladung tragen. Es gibt drei Austauschteilchen das Z⁰, das W⁺ und das W^-. Man unterscheidet elektrisch geladene (über W⁺, W^-) und elektrisch neutrale schwache Wechselwirkungen (über Z⁰). Alle drei Austauschteilchen sind sehr schwer, ca 90 bis 100 mal so schwer wie ein Proton. Dies ist der Grund warum diese schwache Kraft nur eine extrem kurze Reichweite hat (weit weniger als ein Proton Durchmesser) und wir im täglichen Leben nichts von ihr spüren.
Bei der neutralen schwachen Wechselwirkung sendet ein Quark, ein Elektron, oder ein Neutrino ein Z⁰-Boson aus. Dies ist sehr ähnlich zur elektromagnetischen Kraft, mit dem Unterschied dass auch die elektrisch neutralen Neutrinos die schwache Kraft spüren.
Die zugehörigen fundamentalen Vertices der geladenen schwachen Wechselwirkung sind rechts abgebildet. Beim Aussenden eines elektrisch geladenen W Teilchens muss sich wegen der Ladungserhaltung auch die elektrische Ladung des aussendenden Teilchens ändern: Ein Elektron wandelt sich bei der Aussendung eines W^- in sein zugehöriges Neutrino um, ein down Quark in ein up Quark.

Eigentlich steckt dahinter aber eine Änderung der schwachen Ladung: Genau wie die Gluonen der starken Wechselwirkung selber starke (Farb)ladung tragen, und daher an jedem Vertex die Farbladung der Quarks ändern, tragen die W- und Z Teilchen selber schwache Ladung (I=1): Das W^- Teilchen hat I₃ = -1, das W+ Teilchen hat I₃ = +1. Damit ändern sie an jedem Vertex die I₃ Komponente des schwachen "Ladungsvektors" um 1. So wie z.B. ein rotes und ein grünes up-Quark sich nur in der starken Farbladung unterscheiden, so unterscheiden sich ein rotes up-Quark und ein rotes down-Quark nur in der schwachen Ladung. (gleiches gilt für Elektron und Neutrino). Die Änderung der elektrischen Ladung ist dabei immer mit einer Änderung der schwachen Ladung gekoppelt.
Das heisst aber auch, daß, genau wie bei den Gluonen, die Austauschteilchen der schwachen Kraft mit sich selber wechselwirken können, weil sie selber schwache Ladung tragen. Die Erzeugung eines W-Boson-Paares, dem geladenen Austauschteilchen der elektroschwachen Wechselwirkung kann daher durch folgende zwei Mechanismen geschehen.

Normale Kombination aus Abstrahlung und Paarvernichtung	Erzeugung durch Vertices zwischen Austauschteilchen

Die W-W-Z and W-W-Photon Vertices in diesem Diagramm werden durch das Standard Modell exakt vorausgesagt. Auf diese Weise kann durch Beobachtung von W⁺W^--Erzeugung die Theorie (z.B. am OPAL-Detektor) geprüft werden. Aus dem Standard Modell kann übrigens auch die Masse des W- Bosons exakt vorausgesagt werden, so dass eine Messung der W- Masse eine eindrucksvolle Bestätigung der Theorie ist. Jedes W- Boson zerfällt entweder in ein Lepton und Neutrino, oder in ein Quark und Antiquark. Die Zeichen für W⁺W^- -Erzeugung sind daher vier Jets von Hadronen, oder zwei Jets von Hadronen zusammen mit einem energetisch isolierten Lepton und Energieverlust, oder einem Leptonenpaar mit Verlust an Energie.
Das untenstehende Bild zeigt, wie die aufgezeichneten Ereignisse später überarbeitet am Computermonitor dagestellt werden. Es ist ein gutes Beispiel für ein W⁺W^--Paar (ein vier Jet-Ereignis) aufgenommen mit OPAL bei 161 GeV im Schwerpunktsystem. Die roten und gelben Jets bilden eine Masse von 78 GeV, und die blauen und grünen Jets bilden eine Masse von 77 GeV.

Beta-Zerfälle

Im nebenstehenden Feynman-Graph ist der Zerfall des Neutrons dargestellt. Er beinhaltet zwei geladene Vertices: Die oben schon besprochene Abstrahlung eines W^- von einem d-Quark, und den anschliessenden Zerfall des W^- über Paarerzeugung: n à p + e^-+
Die schwache Wechselwirkung ist also nicht nur eine (sehr kurzreichweitige) Kraft, sondern ist auch für radioaktive Zerfälle von Neutronen in Atomkernen verantwortlich. Der umgekehrte Prozess p à n+ e⁺ + ist für uns sogar unbedingt lebenswichtig: Zur Bildung von Heliumkernen (2p+2n), müssen sich jeweils 2 von 4 der in der Sonne vorhandenen Protonen (=Wasserstoffkerne) in Neutronen umwandeln. Aus der Verbrennung von Wasserstoff zu Helium bezieht die Sonne nämlich ihre (und unsere) Energie. Ohne die schwache Wechselwirkung könnte die Sonne nicht brennen, und wir nicht existieren.
Im nebenstehenden Feynman-Graph ist der Zerfall des Myons in ein Elektron, ein Elektron-Antineutrino und ein Myon-Neutrino dargestellt. m^- à e^-+ n_m+ _e Er funktioniert analog zum Neutron Zerfall (und auch zun Tau Zerfall in ein Elektron und zwei Neutrinos). Allgemein nennt man solche Zerfälle, bei denen ein Teilchen über ein W- in ein Elektron zerfällt einen Beta-Zerfall.
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