Die schwache Wechselwirkung ist eine Theorie, die bestimmte Formen des radioaktiven Zerfalls erklärt, nämlich die beiden Formen des Beta-Zerfalls. Den Terminus 'schwach' verdankt die Wechselwirkung ihrer äußerst kurzen Reichweite von nur 10^-15 cm (etwa einem Hundertstel des klassischen Protonendurchmessers!). 'Schwach' heißt sie auch deshalb, weil sie – verglichen mit den anderen drei fundamentalen Wechselwirkungen (gravitative, elektromagnetische und starke) – keine besonders hohe relative Stärke besitzt.

Schwächste Naturkraft, aber wichtig

Da sich schwach wechselwirkende Teilchen erst einmal bis auf diese kurze Distanz nähern müssen und dies recht selten vorkommt, ist diese schwache Wechselwirkung ein relativ rar auftretendes Ereignis – jedenfalls verglichen mit den andern Naturkräften. Zum Glück ist das so, sonst würde alles, was uns umgibt und aus dem wir bestehen – im Wesentlichen baryonische Materie – zerfallen! Bei gleichnamig geladenen Teilchenspezies müssen die beteiligten Partner soviel kinetische Energie aufbringen, um die elektromagnetische Abstoßung (den so genannten Coulomb-Wall) zu überwinden: erst dann kommen sie sich überhaupt so nahe, dass sie 'schwache Kräfte spüren'.

alle Teilchen haben eine Schwäche für die schwache Kraft

Alle Leptonen sind per definitionem schwach wechselwirkende Teilchen, die von der starken Wechselwirkung ausgeschlossen sind. Der Grund dafür ist, dass Leptonen keine Farbladung tragen. Zu den Leptonen zählen u.a. die Elektronen, die Positronen (ihre Antiteilchen), die Myonen und Tauonen ('schwere Elektronen') und die Neutrinos. Alle Teilchen hingegen tragen eine schwache Hyperladung, so dass alle Teilchen schwach wechselwirken können.

Beta-Zerfall und Erhaltungssätze

Beim β^--Zerfall wandelt sich ein im Atomkern des Radionuklids gebundenes Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Anti-Neutrino um. Es handelt sich um einen Dalitz-Zerfall, der ein kontinuierliches Energiespektrum der drei Zerfallsprodukte nach sich zieht, weil die (kinetischen) Energien auf drei Teilchen verteilt werden können. Die Erhaltungssätze von Quantenzahlen (Energie, Impuls, Ladung und Leptonenzahl) sind bei der Zerfallsgleichung immer zu beachten! So ist es wesentlich, dass ein Anti-Neutrino entsteht (Leptonenzahl -1), weil ebenfalls ein Elektron (Leptonenzahl +1) frei wird, während auf der linken Seite der Reaktionsgleichung ein Zerfallskern steht (Leptonenzahl 0). Sollte sich das Neutrino als Majorana-Teilchen (sein eigenes Antiteilchen) herausstellen, so ist diese Unterscheidung hinfällig. Mehr noch: die Leptonenzahlerhaltung wäre verletzt und würde als Erhaltungssatz nicht mehr gelten! Die freiwerdenden Elektronen bzw. Positronen im Beta-Zerfall nennt man auch Betastrahlung.

Beta-Zerfälle auf dem Quarkniveau

Die Abbildung rechts zeigt das Feynman-Diagramm des β^--Zerfalls auf der Ebene der Quarks: bei diesem β-Zerfall wandelt sich also ein Down-Quark (d) in ein Up-Quark (u) um, während ein negativ geladenes W-Teilchen ausgetauscht wird. Das W-Teilchen muss genau diese Ladung wegen des Erhaltungssatzes der elektrischen Ladung haben. Man liest das Feynman-Diagramm von unten nach oben und stellt fest, dass sich durch diese Quarkverwandlung das Neutron (n) in ein Proton (p) verwandelt hat. Leptonenzahl- und Ladungserhaltung erfordern schließlich auch die Entstehung eines Elektrons (e^-) und eines Anti-Elektronneutrinos (ganz rechts im Diagramm).
Beim β⁺-Zerfall hingegen zerfällt ein gebundenes Proton (uud) in ein Neutron (udd), ein Positron und ein Neutrino. Auf der Quarkebene hat sich demnach ein Up-Quark in ein Down-Quark verwandelt. Wichtig sei an dieser Stelle erwähnt, dass nur ein gebundenes Proton zerfällt.

Anmerkung: Zerfall des freien Protons

Der Zerfall eines freien Protons ist erst eine zwingende Folge der Großen Vereinheitlichten Theorien (GUT) – das wurde jedoch noch nicht experimentell beobachtet! Nach dem Protonenzerfall wird mit großen Wassertanks mithilfe von Cerenkov-Zählern gesucht. Wasser enthält extrem viele Protonen in Form von Wasserstoffkernen (H₂O). Die Cerenkov-Zähler detektieren die elektromagnetische Szintillationsstrahlung, die frei wird, wenn ein Proton in kleinere Bestandteile zerfällt. Das Problem bei dieser Suche ist, dass die Zerfallszeit des freien Protons mit 10³² Jahren enorm groß ist. Durch eine große Wassermenge erwartet man wenigstens einige Ereignisse pro Monat.

W^-, W⁺, Z⁰ – Boten der schwachen Kraft

Das negativ geladene W^--Teilchen (Masse 81 GeV) ist nun eines der drei schweren Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung. Daneben gibt es noch ein positiv geladenes W⁺-Teilchen (ebenfalls 81 GeV Masse) und ein neutrales Z⁰-Teilchen, das das schwerste (Masse 91 GeV) unter den schwachen Vektorbosonen ist. Diese drei Eichbosonen der schwachen Wechselwirkung nennt man gelegentlich auch Weakonen. Die W-Teilchen sind die einzigen Eichbosonen des Standardmodells, die eine elektrische Ladung tragen. Teilchenphysiker bezeichnen sie auch im Fachjargon als 'geladene Ströme', wohingegen die Z-Teilchen 'neutrale Ströme' sind. Wegen der Gültigkeit der Ladungszahlerhaltung, vermögen die W-Teilchen die Ladung beteiligter Teilchen im schwachen Prozess zu ändern (ladungsändernde Prozesse, Prozesse geladener Ströme). Das positiv geladene W-Teilchen wird entsprechend beim β⁺-Zerfall ausgetauscht.

Pioniere & Spin-Algebren

Ein erster Zugang zur Quantenfeldtheorie der schwachen Wechselwirkung war die Glashow-Weinberg-Salam-Theorie (GWS-Modell). Diese Physiker versuchten die Erfolge der renormierten Yang-Mills-Theorie in der starken Wechselwirkung auch auf die schwache Wechselwirkung zu übertragen. Eine entscheidende Rolle spielt bei diesen Betrachtungen der schwache Isospin. Genauso wie der Spin gehorchen Isospin und schwacher Isospin der Drehimpulsalgebra der Quantenmechanik. Die Physiker unterscheiden bei einem Spin S entsprechend 2S+1 verschiedenen Spinzustände (für ein Teilchen mit Masse). Ist S = 0, so gibt es nur einen (2×0+1 = 1) Spinzustand. Die Teilchenphysiker sagen dazu Spinsingulett. Ist hingegen S = 1/2, so gibt es 2×1/2+1 = 2 Zustände; dies ist das Spindublett. S = 1 generiert 2×1+1 = 3 Zustände, das Spintriplett. Mit diesen unterschiedlichen 'Zuständen' sind bei Isospin und schwachem Isospin unterschiedliche Teilchen assoziiert. Die Teilcheneigenschaft Spin ordnet mit dieser Systematik den Teilchenzoo.

Heisenberg: Erfinder des Isospins

Isospin-Symmetrie bedeutet in diesem Zusammenhang, dass man alle Protonen durch Neutronen ersetzen kann, ohne dass sich die Verhältnisse ändern. Diese Idee geht auf Werner Heisenberg zurück, der die Nukleonen als Isospindublett (Isospin 1/2) auffasste. Neutron und Proton unterscheiden sich nur in der dritten Komponente des Isospins, der so genannten Isospinprojektion.

linkshändige und rechtshändige Welt

Der schwache Isospin wiederum differenziert zwischen den verschiedenen Leptonen. Die linkshändigen Leptonen sind schwache Isospindubletts, während die rechtshändigen Leptonen schwache Isospinsinguletts sind (siehe zur Händigkeit auch Helizität und Chiralität). Der entscheidende Unterschied zwischen links- und rechtshändigen Teilchen ist, dass nur die linkshändigen an der schwachen Wechselwirkung teilhaben. Hinzu kommt, dass es linkshändige Neutrinos nur gibt, wenn sie eine Ruhemasse haben. Dies wurde im Experiment Superkamiokande 1998 in Japan nachgewiesen!

Auf dem Weg zur Weltformel

In der elektroschwachen Theorie (Weinberg-Salam-Modell) ist es gelungen, die Quantenelektrodynamik (QED) mit der schwachen Wechselwirkung zu vereinigen. Dies war der Wegbereiter der Großen Vereinheitlichten Theorien (GUT) und der Vereinheitlichten Theorie (Unified Theory, UT). Die relativen Stärken der schwachen, starken und elektromagnetischen Wechselwirkung gleichen sich auf der GUT-Energieskala von etwa 2 × 10¹⁶ GeV einander an und können als eine Kraft, als X-Kraft, beschrieben werden. Experimentelle Evidenz für die Unifikation der Kräfte sind die laufenden Kopplungskonstanten: Die drei Kopplungskonstanten, die mit elektromagnetischer, schwacher und starker Kraft assoziiert sind, nähern sich zu hohen Energien des betrachteten Prozesses hin an. Ist der Konvergenzpunkt bei einer bestimmten kritischen, hohen Energie erreicht, macht es keinen Sinn mehr, die Kräfte voneinander zu unterscheiden. Allerdings ist die Supersymmetrie erforderlich, damit sich die Kopplungskonstanten wirklich in genau einem Konvergenzpunkt treffen.
Nur die Gravitation spielt eine Sonderrolle und widerstrebt bisher der Vereinigung aller Kräfte. Sollte das Szenario einer TeV-Quantengravitation tatsächlich in der Natur realisiert sein (Voraussetzung: Existenz von Extradimensionen), so könnten bereits auf der Skala der elektroschwachen Theorie (~ 1 TeV) Signaturen von Gravitonen messbar sein. An dieser Schwelle stehen derzeit moderne Teilchenbeschleuniger wie der LHC am CERN.